ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
“Estudio
del retardo provocado por la ionosfera
en una señal GNSS”
T
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S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P
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N:
Pedro Antonio Díaz Vargas
Saúl Vázquez Gutiérrez
ASESORES:
Dr. Rabindranath Reséndiz Vázquez
M. en C. Carlos Mira González
M. en C. Pedro Gustavo Magaña del Río
Dedicatoria
Le dedico este trabajo a mis padres María del Rosario Gutiérrez
Robles, Saúl Vázquez Rubio y a mis hermanos Brenda Vázquez
Gutiérrez, Astrid Vázquez Gutiérrez y Rodrigo Vázquez Gutiérrez por
su ejemplo de seguir adelante y por enseñarme el valor del trabajo y
a mis profesores por formarme un carácter ante la vida profesional.
Agradecimientos
A mis padres por apoyarme en mi carrera profesional y al INSTITUTO
POLITECNICO NACIONAL por darme la oportunidad de formarme
como un profesional en la institución.
Dedicatorias
A mí mismo por el esfuerzo, trabajo, y coraje invertidos por vencer a
todas y cada una de las adversidades que enfrenté y derroté.
A mis horas de desvelo y privación del gozo dejado de lado pero
sobre todo a
mis
padres
,
hermanos, maestros,
amigos
y a
ti
.
Agradecimientos
A
Dios
quien supo guiarme por el buen camino y ayudarme abrir un
buen futuro de éxito y prosperidad y darme una estrella en mi frente.
A mi
madre
,
padre
y
hermano
por el apoyo incondicional que
me brindaron con la certeza de que siempre estarán allí para darlo y a
los
maestros por darme el conocimiento que no se nos podrá
arrebatar nunca.
Al
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
por brindarme la oportunidad
de crecer como profesionista y darme alojos en sus muros del saber y
a
ti
por estar incondicionalmente conmigo alentándome todos estos
años.
A mis
amigos, compañeros de aventuras y desventuras
durante todos estos años.
“Estudio del retardo provocado
por la ionosfera en una señal
OBJETIVO
ÍNDICE
Relación de figuras, tablas y gráficas VII
Introducción XI
Antecedente XIV
CAPÍTULO 1 | “Sistema de Navegación GNSS” 1
1.1 Componentes GNSS 2
1.1.1 Segmento del espacio 4
1.1.2 Constelaciones GNSS actuales y previstos 6
1.1.3 Señales GNSS 7
1.1.4 Navegación por satélite independiente 13
1.1.5 GNSS y la navegación integrada 13
1.1.6 Navegación interior GNSS 14
1.2 Posicionamiento GNSS 15
1.3 GPS 17
1.4 GLONASS 18
1.5 GALILEO 19
1.5.1 Servicio GALILEO 20
1.6 Aplicaciones GNSS actuales 22
1.6.1 Crecimiento del sistema GNSS 26
CAPÍTULO 2 | “Errores en GNSS” 28
2.1 Errores de datos 29
2.3 Errores en la propagación troposférica 34
2.4 El problema de la trayectoria múltiple 38
2.5 Errores de datos efemérides 40
2.6 Errores en el reloj del satélite 41
2.7 Errores en el reloj del receptor 41
2.8 Generación de errores por los relojes en GNSS 42
CAPÍTULO 3 | “Ionosfera” 45
3.1 Ionosfera 46
3.1.1 Características de la Ionosfera 47
3.1.2 Capas ionosféricas 48
3.1.2.1 Total de las cuatro capas ionosfericas 51
3.2 Efecto de la ionosfera en una señal 52
3.2.1 Los principales efectos de la ionosfera en una señal
en banda L 56
3.3 El Sol 59
3.3.1 Manchas solares 63
3.3.2 Mínimo y máximo solar 63
3.1.2.1 Fenómeno electromagnético en la ionosfera
(Ionización) 65
3.4 TEC (Contenido Total de Electrones – Total Electron Content) 66
3.4.1 Ionosonda 71
3.5 Velocidad de fase y grupo 73
3.6 Retardo ionosférico 81
CAPÍTULO 4 | “Corrección del error” 86
4.1 Caracterización del error GNSS 87
4.2 Modelo para la corrección del error 87
4.3 Modelos de corrección de una frecuencia 89
4.4 International Reference Ionosphere (IRI) 89
4.4.1 Pagina WEB para el modelo IRI 92
4.5 Modelo Klobuchar (GPS) 100
4.6 Modelo NeQuick 102
4.7 Cinemática en tiempo real (RTK) 103
4.8 Sistema de Aumentación Basado en Satélites (SBAS) 105
4.9 Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS) 110
4.9.1 Comparación de modelos 112
4.10 Corrección de retardo ionosférico para receptores GPS de una sola frecuencia utilizando la correlación de mapeo tomográfica 114
4.10.1 La Pseudodistancia y el retraso ionosférico para
los modelos de corrección 118
4.10.2 Análisis gráfico 122
CONCLUSIÓN 127
ACRONIMOS 129
GLOSARIO 134
Relación de figuras, tablas y gráficas
Figura Descripción Página
Figura 1.1 Sistema de posicionamiento de cobertura global. 3
Figura 1.2 Segmentos GNSS. 3
Figura 1.3 Segmento del espacio 4
Figura 1.4 Sistemas de radio navegación por satélite, espectro
de frecuencias definidas para GNSS 8
Figura 1.5 Trilateración – para conocer una distancia 15
Figura 1.6 Trilateración – para conocer dos distancias 16
Figura 1.7 Trilateración para conocer tres distancias 16
Figura 1.8 Arquitectura Galileo 19
Figura 2.1 Variación diurna y nocturna de la ionosfera 32
Figura 2.2 Pseudodistancia 33
Figura 2.3 Retraso troposférico por componentes húmedas 37
Figura 2.4 Errores de reflexión de la geometría local y vecindad de
trayectorias múltiples 39
Figura 2.5 Error causado por la inexactitud del reloj receptor 43
Figura 2.6 Error causado por la inexactitud del reloj receptor con tres satélites 43
Figura 2.7 Convergencia de pseudorangos mediante el adelanto o el atraso
de los relojes del receptor 44
Figura 3.1 Posicionamiento de la ionosfera respecto a otras capas 46
Figura 3.2 Perfil de la temperatura atmosférica 48
Figura 3.3 Estructura ionosférica de verano en el día y la noche con las
[image:10.612.80.532.117.714.2]Figura Descripción Página
Figura 3.4 Orden de las capas ionosféricas 49
Figura 3.5 Perfil del contenido total de electrones 51
Figura 3.6 Diferentes trayectorias de la propagación de las ondas
electromagnéticas a través de la ionosfera 53
Figura 3.7 Efecto de la ionosfera en las ondas electromagnéticas 55
Figura 3.8 Representación de las capas solares y manchas solares 60
Figura 3.9 Rotación diferencial del Sol 61
Figura 3.10 Manchas solares y llamarada solar 62
Figura 3.11 Perfiles verticales típicos de concentración electrónica en
la ionosfera de latitudes medias. Adaptada de Hargreaves (1992) 64
Figura 3.12 Electrones libres en una columna de 1m^2 68
Figura 3.13 Mapa mundial del TEC elaborado por el Jet Propulsion Laboratory (JPL) 69
Figura 3.14 Ionosonda 72
Figura 3.15 La primera señal 1 (a) y la segunda señal 1(b) con frecuencias
ligeramente diferentes son sumadas para generar la figura 1 (c) 75
Figura 3.16 Índices de refracción 78
Figura 3.17 Refracciones y reflexiones dentro de la ionosfera 79
Figura 4.1 Elección del sistema de referencia IRI 93
Figura 4.2 Solicitud de parámetros 94
Figura 4.3 Resultado en forma de lista y gráfica 95
Figura 4.4 Selección de parámetros densidad electrónica y altura 97
Figura 4.5 Modelo Klobuchar 101
Figura Descripción Página
Figura 4.7 Sistemas SBAS operativos o en desarrollo 108
Figura 4.8 Satélites geoestacionarios 111
Figura 4.9 Ubicación de sitios de pruebas 116
Figura 4.10 Imagen tomográfica sobre la región de Europa 122
Tabla Descripción Página
Tabla 1.1 Nombres y números de frecuencias para un GNSS 12
Tabla 1.1.5.1 Características principales delos sistemas GPS, GLONASS, Galileo 21
Tabla 2.1 Sistemas de error GNSS 29
Tabla 3.1 Dependencias del TEC 67
Tabla 3.2 Retardos ionosféricos. 70
Esquema Descripción Página
Esquema 4.1 Sistema de Aumentación Basado en Satélites SBAS 109
Gráfica Descripción Página
Gráfica 1.1 Distribución de aplicaciones en los sistemas GNSS 25
Gráfica 1.2 Bases instaladas de dispositivos GNSS por región 27
Gráfica 4.1 Resultados de la densidad electrónica y altura 99
Gráfica 4.2 MAR 6 123
Gráfica 4.3 GOPE 124
Gráfica 4.4 VILL 125
INTRODUCCIÓN
El funcionamiento de un Sistema de Navegación por Satélite involucra distintos segmentos, el segmento espacial envía la señal que recibe de los segmentos de control y usuario. El segmento de control recibe la señal del segmento de espacio, monitoriza y actualiza la información enviando correcciones a los satélites, por último el segmento de usuario recibe la información procedente del segmento espacial y calcula su posición.
El objetivo principal del Sistema de Navegación Global por Satélite es la localización en tiempo real de un receptor en la tierra, mar o aire, está diseñado para ser accesible a millones de usuarios militares y civiles en todo el mundo, algunos países tienen su propia versión GNSS.
Cuando se necesita conocer la posición es necesario obtener dos parámetros que es la posición del satélite y el reloj, esta información la toma la señal que envía el satélite hacia el receptor en la Tierra. La posición de los satélites es conocida por el receptor, el receptor GNSS mide la distancia de los satélites y usa esa información para calcular la posición. La distancia se calcula cuando se conoce el tiempo que tarda la señal en llegar del satélite al receptor en la Tierra, tomando en cuenta que la señal que envía el satélite viaja a la velocidad de la luz.
Para tener una mayor precisión en el posicionamiento se necesitan cuatro satélites, con tres satélites se puede calcular la posición en tres dimensiones, cuando se tienen cuatro satélites se eliminan los errores de sincronismo.
En el primer capítulo de este trabajo se describe de forma general el funcionamiento del GNSS, los métodos que se utilizan para determinar la posición de un receptor, la descripción de los diferentes sistemas de posicionamiento que existen en el mundo, la amplia gama de servicios que ofrece este sistema y sus aplicaciones en la vida cotidiana para el ser humano.
En el capítulo 2 de este trabajo se presentan algunas de las principales fuentes de error que afectan a la señal de los satélites GNSS hacia los receptores en la Tierra, provocando una mala determinación de la posición en tiempo real.
En el capítulo 3 de este trabajo se describe la capa más importante en este trabajo que es la ionosfera, provocando la principal fuente de error en la señal del satélite. La actividad solar va formando las capas ionosfericas, la variación de estas capas es según el ciclo solar, la época del año y la hora del día o la noche, también la temperatura en la ionosfera varía según la altura.
JUSTIFICACIÓN
El GNSS se describe brevemente y los errores que circundan este sistema tanto para la señal que envía el satélite como la señal que llega al receptor. Así como las bases para entender la presencia de la ionosfera en este sistema. Por último hay una descripción para subsanar la afectación de la ionosfera llamado modelo de corrección.
Para que el sistema pueda determinar la posición con gran precisión, la señal que envía el satélite no debe de llegar al receptor con errores, existen varias fuentes de error, la fuente de error más importante es el retardo que provoca la ionosfera, por el contenido total de electrones que actúa como un medio dispersivo que afecta la señal del satélite.
La tecnología GNSS se está integrando en equipos tales como excavadores, niveladores, pavimentadoras, y maquinaria agrícola para mejorar la productividad en la operación en tiempo real de este equipo.
C
APÍTULO 1
|
“Sistema de
1.1 Componentes GNSS
Se define GNSS, como el conjunto de Sistemas de Navegación Global por Satélite, como son el NAVSTAR, GLONASS, GALILEO, COMPASS BEIDOU, algunos operan en forma regional como lo son el QZSS e IRNSS. Es decir los sistemas son capaces de dotar en cualquier punto y momento el posicionamiento espacial y temporal. Las siglas GNSS (del inglés Global
Navigation Satellite System – Sistema de Navegación Global por Satélite), fue
creada por una de las instituciones que forman parte de las naciones unidas la
ICAO (del inglés International Civil Aviation Organization – Organización
Internacional para la Aviación Civil), que lo definió de la siguiente forma:
GNSS es un sistema de cobertura global para determinar la posición y el tiempo, que puede estar formado por una o más constelaciones de satélites, por receptores aeronáuticos, un sistema de monitoreo de la señal y complementado con los sistemas de aumentación necesarios para dar soporte a las diferentes operaciones y maniobras que habitualmente se realizan en la navegación aérea
como se muestra en la figura 1.1 [2].
El GNSS consiste en tres principales tecnologías de satélite: GPS, GLONASS y Galileo. Cada uno de ellos consiste principalmente en tres segmentos:
(a) Segmento espacial
(b) Segmento de control
(c) Segmento de usuario
Figura 1.1 Sistema de posicionamiento de cobertura global [18].
La tecnología GNSS se ha consolidado a partir de la operación de Galileo y la
reconstrucción de GLONASS [22].
1.1.1 Segmento del espacio
Los segmentos espaciales consisten en satélites GNSS en órbita alrededor de 20,000 km por encima de la Tierra, como se ilustra en la figura 1.3. Cada GNSS tiene su propia "constelación" de satélites, dispuestas en órbita para proporcionar
[image:21.612.154.416.297.526.2]la cobertura deseada [6].
Figura 1.3 Segmento del espacio
Los satélites siguen una órbita no geoestacionaria y casi circular de un radio de 26.560 Km, a una altura aproximada de la superficie de la tierra de 20.200 Km. La velocidad de los satélites es de unos 3.218 Km/h, esta velocidad les permite dar dos veces la vuelta al planeta cada 24 horas. Cada satélite invierte 11 horas y 58 minutos en dar una vuelta completa a la tierra. Las órbitas de los satélites se distribuyen en seis planos orbitales, inclinados 55° respecto del ecuador terrestre, cada plano orbital contiene 4 satélites operativos más uno de reserva.
El diseño de estas órbitas asegura que desde cualquier punto de la Tierra y en cualquier momento un receptor pueda recibir la señal de cuatro satélites como mínimo.
GPS ofrece dos servicios mediante dos señales diferentes, un servicio de carácter civil y otro de carácter militar:
(a) El servicio SPS (Stándar Positioning Service) servicio de posicionamiento estándar, contiene la señal de uso civil. Se emite en abierto y cualquier receptor GPS puede utilizarlo. Es la señal que usan los receptores y navegadores GPS, que tan populares son hoy en día integrados en los teléfonos inteligentes o en los navegadores de los coches.
(b) El servicio PPS (Precise Positioning Service) servicio de posicionamiento preciso, contiene la señal de uso militar. Está reservado al ejército y a la administración de E.U.
Cuando el sistema se puso en marcha en sus orígenes, se insertaban errores variables de tiempo a la señal civil (SPS) para crear imprecisión en los receptores de uso civil. La máxima precisión quedaba restringida de esta manera para ser obtenida por los receptores de uso militar.
Cada satélite transmite dos señales de radio portadoras en la banda L moduladas
con la técnica del espectro disperso del inglés (Spread Spectrum). Estas señales
1.1.2 Constelaciones GNSS actuales y previstos
Los GNSS son constelaciones de satélites diseñados para proporcionar información de posicionamiento y sincronización para los usuarios en la Tierra o en el espacio. Actualmente, el GNSS más utilizado ampliamente es el GPS. El sistema fue diseñado y realizado por el Departamento de Defensa de los EE.UU. y desde que fue encargado, se ha ampliado de manera que pocos habrían predicho. Además de las aplicaciones militares, han aparecido un gran conjunto de usuarios y aplicaciones del sector comercial y público.
Una exhaustiva lista representativa de tales aplicaciones incluye: la colocación de los receptores GPS en boyas oceánicas para medir la altura de las olas y la dirección, el seguimiento de las deformaciones de la corteza de la Tierra y la detección de la atmósfera usando técnicas de ocultación.
Además del GPS, el GNSS es otro sistema que está en pleno funcionamiento, otro sistema que apareció recientemente es GLONASS de la Federación Rusa. GLONASS mantuvo una constelación completa de 24 satélites, el cual fue reducida de diez a ocho satélites de trabajo en 2001. En los últimos años, la incertidumbre sobre el futuro del sistema GLONASS ha limitado la demanda y la disponibilidad de receptores para procesar las señales. Mientras que no esté claro cuál será el futuro de GLONASS, en la actualidad parece que hay un resurgimiento en la disponibilidad de las señales GLONASS y los receptores que
pueden procesar las señales [5].
La constelación GALILEO es el esfuerzo europeo para proporcionar una alternativa y un complemento a los GPS. El primer satélite GALILEO fue lanzado en diciembre de 2005 y transmitió señales de prueba poco después. La constelación Galileo se convirtió en operativo a partir del 2010. Además del GPS y GALILEO hay otros sistemas que componen el GNSS, tales como el GLONASS sistema de posicionamiento de Rusia y COMPASS, diseñado e implementado por China y actualmente cuenta con una base de usuarios cada vez mayor en esa región. El COMPASS actualmente se encuentra en fase de validación, en está órbita (IOV), empezó su funcionamiento en la región Asia-Pacífico desde el año 2010. Numerosos lanzamientos adicionales fueron programados para contar con una Constelación Completamente Operativa (FOC) de 5 satélites geoestacionarios y hasta 30 satélites de órbita terrestre en medida que proporcionan una cobertura global[5].
1.1.3 Señales GNSS
El total de las señales GLONASS, GPS y Galileo conforman las señales GNSS. Para cada sistema de satélites la señal tiene características específicas, cada sistema intenta ser compatible con los otros a fin de evitar las interferencias y la atenuación entre las señales. Es importante tener en cuenta que el tratamiento de todas las señales debe realizarse con el mismo tipo de receptor, por lo tanto el diseño y construcción de un receptor es complejo. El plan de frecuencias GNSS deberá respetar los reglamentos de radio a medida que se discutieron y acordaron en foros de la UIT. El espectro disponible que se puede utilizar en el desarrollo de
Figura 1.4 Sistemas de radio navegación por satélite, Espectro de frecuencias definidas para GNSS [38].
[image:25.612.90.526.111.354.2]encriptado en el Código Y (por algo llamado anti-Spoofing) y no puede ser decodificada sin tener una clave para el cifrado. Esto no está disponible para usuarios civiles. La frecuencia L5 está disponible sólo para demostración en un satélite GPS. Con la señal L5 se piensa la modernización del GPS, los beneficios de la señal L5 cumplen con los requisitos críticos de seguridad para las aplicaciones necesarias de la vida diaria, tales como la aviación civil, también tiene beneficios como: Mejora de la corrección ionosférica, redundancia de la señal,
mejora de la precisión de la señal, mejora el rechazo a la interferencia [11]
Los satélites del sistema GLONASS, contiene un sistema de doble uso, para proporciona una señal de alta precisión para uso militar y una señal de precisión estándar para el uso civil de manera gratuita. Para una mejor distinción del GPS, las frecuencias de las portadoras se indican utilizando la letra G en lugar de la letra L en el sistema GLONASS y la tercera frecuencia de la portadora se describe como G3. GLONASS implementa la técnica de Acceso Múltiple por División de Frecuencias (FDMA) a diferencia de otras señales de otros satélites. De esta manera las señales GLONASS son más resistentes a las interferencias de banda estrecha y además de la correlación cruzada entre las distintas señales
GLONASS. Cada satélite GLONASS proporciona continuamente señales de
navegación. Con el código C/A (también indicado como código-S) para uso civil y la alta precisión de la señal, es decir, el código P, en dos sub bandas de la banda L, denotadas como G1 y G2. El código C/A se transmite solo sobre la portadora G1, mientras que el código P es modulada tanto en G1 y G2. En el curso de la modernización del sistema GLONASS se ha añadido una norma para la precisión de la señal en G2 en los satélites M-GLONASS. El código C/A de GLONASS tiene una longitud de onda efectiva de unos 600 metros y el valor respectivo del código
P es de unos 60 m [11].
ferroviarios, conducción de automóviles o el control del tráfico aéreo, etc.).El sistema Galileo usa 10 radiofrecuencias divididas en esta forma:
(a) 4 frecuencias en el rango de 1164 -1215 MHz (E5A-E5B)
(b) 3 frecuencias en el rango de 1260 -1300 MHz (E6)
(c) 3 frecuencias en el rango de 1559 – 1591 MHz (L1)
Debido a las divisiones de frecuencia los usos multimodales se presentan con 5 servicios y con sus respectivas frecuencias como lo son:
(a) Servicio Abierto (OS) con las frecuencias E5A, E5B, E1.
(b) Servicio para Aplicaciones Críticas (SoL) con las frecuencias E5A, E5B, E1.
(c) Servicio Comercial (CS) con la frecuencia E6.
(d) Servicio Público Regulado (PRS) con frecuencias E6 y E1.
(e) Servicio de Salvamento, Búsqueda y Rescate (SAR) [7].
La función principal en el receptor con respecto a una señal proveniente de un satélite es la reconstrucción tanto de las portadoras como la extracción de códigos y mensajes de navegación. En particular, la adquisición de código puede ser muy crítica, porque es la primera operación realizada por el receptor para poder medir la distancia del receptor al satélite, se puede realizar de distintas formas como lo es la (Pseudodistancia o Código), (Diferencia de fase o Fase), o mediante (Medición por cuenta Doppler), el receptor cuenta las coordenadas en cada instante de los satélites a su alcance. Teniendo los datos de las distancias y las coordenadas de los satélites a través de la intercesión se encuentran las
Actualmente algunos receptores del tipo geodésicos están disponibles en el mercado, debido a que el GPS y GLONASS están simultáneamente en ambas frecuencias, en particular, el receptor Ashtech Z 18 y los del mismo nombre que la
empresa TPS (Topcon Positioning Systems) [ ]. El sistema GNSS ha
evolucionado para transmitir nuevas señales civiles en diferentes bandas de frecuencia las cuales se componen de dos canales, es decir, canal de datos y canal piloto (sin datos) (por ejemplo: Galileo E1, OS, E5, E6, GPS, L5, L2C, L1C). Los receptores están diseñados para diferentes frecuencias y estos receptores podrán tener combinaciones de frecuencias que los hacen especiales como lo son:
(a) El primer tipo podría procesar todas las señales GNSS, GPS L1, L2, L5 y Galileo OS, CS utilizando L1, E5 y E6, también GLONASS L1 y L2.
(b) El segundo tipo utiliza señales y códigos libres, GPS L1 y L2C y Galileo Servicio abierto (OS), en L1 y E5.
(c) El tercer tipo utiliza L1 y E5.
(d) El cuarto tipo utiliza GPS L1 y L2
(e) El quinto tipo utiliza señales de GLONASS y GPS [6].
Para una mejor visualización de las bandas que utiliza los sistemas GPS, GLONAS y GALILEO se muestra la tabla 1.1, que contiene el nombre de la
Tabla 1.1 Nombres y números de frecuencias para un GNSS
Nombre de frecuencias Frecuencias
GALILEO Primeras 4 frecuencias
E5A (E5A-I,E5A-Q) E5
E5B (E5B-I,E5B-Q)
Rango 1164 - 1214 MHz
Centrada en 1176.45 MHz Centrada en 1191.795MHz Centrada en 1207.140Mhz
Segundas 3 frecuencias
E5A E5 E5B
Rango 1260 - 1300MHz
Centrada en 1278.750
Terceras 3 frecuencias
E1A E1 E1B
Rango 1559 -1591 MHz
Centrada en 1575.420
E1 denotada como L1 E5 denotada como E5A+E5B E5A denotada como L5
L1C L2C L5
1575.42MHz 1227.60MHz
1176.45MHz GPS
G1 G2 G3
1602.000MHz 1246.000MHz
1.1.4 Navegación por satélite independiente
Este es el método básico de navegación GNSS, donde sólo se utilizan las señales recibidas desde una constelación GNSS, tales como el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS) del GPS a disposición del público. Esto incluye aplicaciones tales como ayudar a los barcos a encontrar su ruta dentro y fuera de los puertos que utilizan sólo un receptor independiente. El rendimiento de un receptor independiente GNSS es suficiente, sólo para un número limitado de aplicaciones. Un sistema autónomo SPS requiere de una mayor precisión, por
esta razón GNSS se combina a menudo con otros sensores y señales [5].
1.1.5 GNSS y la navegación integrada
una estimación del vector de estado de navegación de un vehículo. Los Sistemas de Navegación Inercial (INS) se han integrado con el GNSS con un éxito considerable. Esta fusión entre GNSS e INS es complementaria: el INS ayuda a mitigar la deficiencia del GNSS y viceversa. Otros sensores también son integrados al sistema GNSS como referencia de apoyo como lo son el altímetro,
LIDAR, magnetómetros, y otros sistemas de Radio Frecuencia (RF)[5].
1.1.6 Navegación interior GNSS
La navegación por satélite fue diseñada principalmente para aplicaciones en exteriores con una línea de visibilidad a los satélites. Sin embargo, hay una demanda creciente de un dispositivo de navegación que funcione de forma fiable en los interiores. En los interiores las señales son débiles y reflejadas, estas señales se pueden utilizar para generar una estimación de la posición. En el caso del GNSS, las señales necesitan ser aumentadas con sensores externos para funcionar con precisión en el interior. Estos sensores podrían incluir otras señales de RF a frecuencias que penetren en los edificios u otras fuentes externas de información que se pueden utilizar cuando las señales GNSS no están disponibles. Un sistema para la navegación interior fiable utilizando GNSS sigue siendo objeto de muchas investigaciones y se verá favorecido por la adición de
1.2 Posicionamiento GNSS
El posicionamiento GNSS se basa en un proceso llamado "trilateración", en pocas palabras, cuando no se conoce la posición, pero sí se conoce la distancia de tres puntos conocidos, se puede obtener su ubicación.
[image:32.612.207.408.341.555.2]Cuando alguien está a 3 Km de la casa de una persona. Ese alguien está en un círculo de 3 kilómetros de la persona, como se muestra en la figura 1.5.
Figura 1.5 Trilateración – Para conocer una distancia
Figura 1.6 Trilateración – para conocer dos distancias
Con una tercera distancia, sólo puede estar en un lugar físico. Si ese alguien está a 6 km de la casa de la persona C, se tiene que estar en la posición X ya que este es el único lugar en el que los tres círculos (distancias) se encuentran como se muestra en la figura 1.7.
1.3 GPS
El GPS se considera como una de las principales técnicas geodésicas especiales de posicionamiento, es decir el GPS es una técnica ideal para unir dos puntos en un espacio curvado y tratar que la trayectoria sea la de menor longitud así como los demás sistemas que se han descrito. El 14 de diciembre de 1973, el Departamento de Defensa de los EE.UU y en concreto la Fuerza Aérea de los EE.UU aprobó el desarrollo del sistema GPS: El termino GPS proviene de la abreviación de NAVSTAR GPS, donde NAVSTAR es la constelación de satélites y GPS es como se le denomina al sistema, las siglas en ingles de Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning System, es decir, Sistema de Posicionamiento Global y Sistema de Navegación con Sincronización de Tiempo y Medición de Distancia. El primer satélite GPS se puso en órbita el 22 de febrero de 1978.
En 1994 se tenían disponibles 24 satélites en la constelación de GPS, el 27 de abril de 1995 inició del desarrollo del sistema, se declaró completamente operativo
el sistema GPS [2]. La arquitectura del sistema GPS consta de tres conjuntos de
equipos o sistemas denominados segmentos, que están claramente diferenciados:
(a) Segmento espacial: Formado por los satélites que están en órbita y que
difunden señales de navegación. “un conjunto de satélites que emiten señales electromagnéticas”.
(b) Segmento terreno: Formado por las infraestructuras en Tierra que permiten controlar el funcionamiento de los propios satélites, preparar y suministrar los datos de navegación que serán transmitidos por los satélites.
”Los receptores que reciben dichas señales”.
(c) Segmento usuario: Está constituido por todos los equipos receptores en tierra, mar o aire que reciben la señal de los satélites y la utilizan para
1.4 GLONASS
GLONASS deriva de la abreviatura rusa "Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema ", traducida a su equivalente en Inglés, esto significa Sistema de Navegación Global por Satélite. A mediados de 1970, la antigua Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS), iniciaron el desarrollo de GLONASS en base a las experiencias con el sistema de satélites Doppler Tsikada.
Tras Polischuk, la academia M.F. Reshetnev’s empresa estatal de mecánica
aplicada ha sido la principal responsable del desarrollo general y la aplicación del sistema. El desarrollo, la fabricación de los satélites, las instalaciones de lanzamiento y el correspondiente sistema de control son las tareas de esta
empresa [11].El propósito de GLONASS es proporcionar a un “número ilimitado de
usuarios ya sea por aire, mar y cualquier otro tipo de usuarios con todo tipo de clima con posicionamiento tridimensional, medir la velocidad y el momento en cualquier lugar del mundo o en el espacio cercano a la Tierra", sobre una base continua, es decir, en cualquier momento. Operado por las fuerzas militares rusas, GLONASS es un sistema militar. Esta es la razón por la que casi no hay información detallada que se da a conocer.
1.5 GALILEO
El Sistema de Navegación Global por Satélite Galileo, es un proyecto financiado y desarrollado entre la Unión Europea y la Agencia Espacial Europea (ESA), con el objetivo de tener un propio sistema de posicionamiento de alta precisión con el objetivo de evitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. El concepto general y la arquitectura de Galileo son similares a la de GPS y GLONASS como se muestra en la figura 1.8. Sin embargo, se requiere una categorización
adicional, Galileo define tres componentes principales que son [51]:
(a) Componente Global
(b) Componente Regional
(c) Componente Local
El componente global es el elemento central de Galileo y se subdivide en el
segmento espacial y el segmento terrestre [11].
1.5.1 Servicio GALILEO
Europa ha optado por un enfoque orientado a servicios para el diseño de Galileo. Durante la fase de definición, los requisitos de los usuarios se han clasificado en cuatro diferentes niveles de servicio.
(a) El servicio por satélite sólo se basa únicamente en las señales de los satélites Galileo. Este servicio está disponible a nivel mundial e independiente.
(b) Aumento de la prestación del servicio por satélite sólo por la intensificación local o información de asistencia a nivel local con servicios asistidos.
(c) El servicio EGNOS se concentra en el uso combinado de Galileo y una futura evolución de EGNOS para proporcionar un máximo de integridad.
(d) Finalmente, el nivel de servicio combinado describe el uso de Galileo en
combinación con otros GNSS u otros medios de sistemas de navegación [43].
Las necesidades de los usuarios, operativas y de aplicación se han consolidado en el servicio por satélite Galileo. El servicio por satélite Galileo sólo se subdivide en cuatro tipos de navegación con diferentes servicios y un servicio para apoyar las operaciones de búsqueda y rescate.
Debido a las características de cada sistema se hace un resumen de los datos
[image:38.612.80.523.191.707.2]sobresalientes en la tabla 1.1.5.1 [12].
Tabla 1.1.5.1 Características principales de los sistemas GPS, GLONASS, Galileo
Características GPS GLONASS Galileo
Primer lanzamiento
Plena capacidad Operativa
Financiamiento Febrero 2,19782 Julio 17,1995 Público Octubre 12,1982 Enero 18,1996 Público
Diciembre 28, 2005
2012/2013
Público y Privado
Planos orbitales
Inclinación Orbital
Semieje mayor
Separación de planos orbitales
Periodo de vuelta
Datos de Efemérides
6 55º 26 560Km 60º 11h 57.96min Elementos Kepler Coeficiente de corrección 3 64.8º
25 508 Km
120º
11h15 .73 min
Posición, Velocidad, Vectores de Aceleración 3 56 29 601K 120º 14 h4.75min Elementos Kepler coeficientes de corrección
Sistema de Referencia Geodésico
Sistema de tiempo
WGS-84
Tiempo, UTC
(USNO)
PE-90
Tiempo, UTS (SU)
GRTFº
Tiempo del Sistema Galileo
Separación de la señale CDMA FDMA CDMA
Numero de códigos 11 6 10
Números de frecuencias 3 Una por dos
antípodas
1.6 Aplicaciones GNSS actuales
Actualmente el GNSS es utilizado principalmente tanto por militares como civiles. Las señales GNSS en muchos casos son gratuitos y están disponibles a nivel mundial, se utilizan para avanzar en aplicaciones que fueron pioneros con el GPS, independientemente del GNSS utilizado. Se agrupan las aplicaciones en diferentes categorías:
Servicios Basados en Localización (LBS): Son servicios de navegación personal
como: smartphones, tabletas, cámaras digitales, ordenadores portátiles y los
ingresos de datos móviles. Estas aplicaciones son para ayudar a la gente a navegar a pie. Un ejemplo más de esto es ampliamente conocido, los dispositivos de navegación personales utilizados por los excursionistas. Esta tecnología está abriendo camino en los teléfonos celulares y PDAs, ampliando la navegación por satélite a un nuevo gran grupo de usuarios.
Las aplicaciones en la aviación: los dispositivos certificados GNSS para la aviación comercial, regional, general de negocios y de dispositivos no certificados ayudan a los pilotos que vuelan bajo las Reglas de Vuelo Visual (VFR). Esto incluye la ruta de la navegación, así como la aproximación de precisión y aterrizaje, estas aplicaciones exigen un alto nivel de rendimiento en términos de precisión y robustez.
Aplicaciones para la automoción: Los sistemas basados en GNSS han permitido el desarrollo de muchas aplicaciones de automoción que mejoran la facilidad de operación. Los sistemas más simples y más ampliamente utilizados proporcionan controladores con instrucciones para llegar del punto de partida hasta su destino con un mínimo de desvíos. Un ejemplo de esta aplicación es la estimación de los parámetros del vehículo en tiempo real para mejorar las características de manejo del vehículo.
Señal débil de la navegación: Son aplicaciones en las que la calidad de la señal GNSS es pobre. Por ejemplo, en ciertas aplicaciones tales como la navegación en los interiores, la solución GNSS tiene que ser optimizada para un rendimiento robusto en algunos entornos en los que la señal está muy atenuada. En estas aplicaciones independientes el posicionamiento GNSS no es fiable.
Aplicaciones marinas: esta es una de las aplicaciones civiles originales para el GPS, esto es debido a las claras vistas desde el cielo y la precisión modesta de la mayoría de las aplicaciones marítimas. Los receptores GPS actualmente se han convertido en el equipo estándar para barcos de todos los tamaños y se realiza un servicio muy valioso a la comunidad marítima mundial. La mayoría de las aplicaciones marinas utilizan algún tipo de navegación autónoma que son dispositivos GNSS para apoyar la navegación en general, el Sistema de Identificación Automática (AIS), el Sistema de Largo Alcance de Identificación y Seguimiento (LRIT), operaciones portuarias (incluyendo unidades portátiles piloto), localización y rastreo de faros.
Aplicaciones espaciales: Los receptores GPS han demostrado ser una herramienta muy valiosa a bordo de los satélites que orbitan la Tierra. Se han utilizado principalmente en satélites de Órbita Terrestre Baja (LEO), pero su uso está actualmente en expansión en los vehículos espaciales que funcionan en las zonas altas. En aplicaciones espaciales, el GPS tiene el potencial para ser
Agricultura, silvicultura y exploración de recursos naturales: Los dispositivos GNSS utilizados para la guía de tractor, dirección automática, gestión de activos. Estas diversas aplicaciones incluyen el monitoreo geológico, la gestión forestal, la minería y la explotación petrolera. Estas aplicaciones combinan a menudo las mediciones de campo GNSS con las herramientas del sistema de información geográfica para producir exactitud, mapas regionales para el seguimiento y la gestión de recursos.
Geodesia y topografía: Esta aplicación es quizá el mejor ejemplo de los beneficios directos que han resultado de la disponibilidad pública de las señales GPS. Geodesia, las aplicaciones requieren información de posicionamiento de precisión a nivel de centímetro o milímetro e incluyen aplicaciones como el seguimiento de los movimientos de las placas de la corteza de la Tierra o plataformas de hielo. Del mismo modo, la topografía GNSS se ha generalizado y regularmente tiene requisitos de precisión más relajadas.
Aplicaciones científicas: Además de la geodesia y la topografía se intenta utilizar el GPS en una serie de campos de investigación científica. Estos incluyen el uso de señales GPS para la teledetección de los estudios ambientales, del espacio y
tiempo. En la gráfica 1.1 se ilustra el porcentaje de estas aplicaciones [ ].
Si bien lo anterior no es de ninguna manera una lista exhaustiva de las aplicaciones que muestra la utilidad y versatilidad de GNSS. Un área de aplicación amplia y rápida de expansión es el de las normas de sincronización y de frecuencia. En esta aplicación se usa el tiempo basado en GNSS para sincronizar grandes redes de telecomunicaciones. La utilidad y versatilidad aumenta más si se tiene en cuenta la fusión de GNSS con otros sensores complementarios. Esto no sería posible para las aplicaciones sólo con GNSS. Este incremento en el rendimiento puede ocurrir en una de las siguientes maneras:
(a) Los otros sensores complementarios pueden proporcionar una velocidad o una solución de sincronización de posición cuando las señales GNSS no están
(b) La información de los otros sensores complementarios mejora la robustez y precisión de la capacidad de los receptores del GNSS para rastrear las señales. Es decir, la información de los otros sensores se puede utilizar para afectar la forma en un receptor GNSS que procesa las señales de satélite recibidas [5].
1.6.1 Crecimiento del sistema GNSS
En la próxima década, la base instalada de dispositivos GNSS aumentará casi cuatro veces, impulsado en gran medida por el aumento de la penetración en regiones fuera de Europa y América del Norte. Para el año 2022 se tendrá un gran número de dispositivos, casi un receptor GNSS por cada persona en el planeta, tiene el potencial de ofrecer importantes beneficios adicionales, especialmente en términos de ahorro de tiempo y batería, así como aumento de la eficiencia.
Se espera que el número de dispositivos GNSS aumente en Europa y América del Norte de 1 a 3 por habitante durante la próxima década, los servicios basados en la localización. Para el resto del mundo, el rápido crecimiento verá un aumento de 1 dispositivo por cada 10 habitantes a 1 por cada 2 habitantes durante la próxima década, como se muestra en la gráfica 1.2.
Los teléfonos inteligentes dominan los ingresos mundiales GNSS y se están expandiendo en otros segmentos de mercado. Las nuevas capacidades de un teléfono inteligente y los dispositivos LBS apoyan cada vez más la navegación y servicios en otras aplicaciones.
Está previsto que los LBS tengan un mayor ingreso que en el segmento de mercado por carreteras, donde el mercado del PND sigue disminuyendo, siendo desplazado por el uso de los teléfonos inteligentes en los coches. Los dispositivos LBS también se están utilizando cada vez más, generalmente en aviación y en la marina. Las nuevas aplicaciones se introducen y los consumidores continuamente
Gráfica 1.2 Bases instaladas de dispositivos GNSS por región.
C
APÍTULO 2
|
“Errores en
2.1 Errores de datos
Los errores que se muestran en la tabla 2.1 afectan la precisión de la determinación de la pseudodistancia GNSS estándar, es decir, la determinación de la pseudodistancia de los 4 o más satélites se ve afectada por cada parámetro de la tabla [6].
Tabla 2.1 Sistemas de error GNSS
Fuente de contribución Rango de error
Retardo ionosférico ±
Retardo troposférico ± .
Múltiples trayectos ±
Error de orbita ± .
Reloj del satélite ±
Error en el receptor ± .
Los errores GNSS normalmente se agrupan en seis clases:
(a) Ionosférico: Los errores en la corrección de las mediciones de pseudodistancia son causados por efectos ionosféricos (electrones libres en la ionosfera).
(b) Troposféricas: Los errores en las correcciones de mediciones virtuales
(c) Múltiples rutas: Los errores causados por señales reflejadas que entran en la antena del receptor.
(d) Efemérides: Errores en datos de efemérides de los parámetros transmitidos en los mensajes de navegación por satélites de las verdaderas posiciones.
(e) Reloj del satélite: Errores de reloj en la transmisión de datos por el GNSS.
(f) Errores en el receptor: El rango de errores en las mediciones de los receptores causado por ruido térmico, la exactitud de software y los voltajes de polarización
entre canales [6].
2.2 Errores por la propagación ionosférica
frecuencia. Según el medio, las velocidades de propagación de una onda sinusoidal y un conjunto de ondas son diferentes. La velocidad de propagación de una onda sinusoidal es la tasa a la cual la fase de la misma señal se propaga en el espacio con una longitud de onda uniforme es la velocidad de fase, mientras que la velocidad de propagación de la onda en grupo se refiere como velocidad de grupo donde la velocidad de fase se define por la velocidad angular de la onda
definida por � y del vector de onda por la relación:
ℎ
=
� (2.1)Se puede diferenciar que la velocidad de fase no es igual a la velocidad de grupo. La velocidad de grupo de una onda es la tasa a la cual viaja la energía almacenada en la onda es decir las variaciones en la forma de la amplitud de la onda (también llamada modulación o envolvente) se propaga en el espacio
definida por la siguiente ecuación[52]:
Estas ecuaciones sirven para describir el efecto de retardo producido por la ionosfera [19].
La característica de la propagación de una onda electromagnética en el espacio se define por su frecuencia y longitud de onda. La ionosfera produce un plasma ionizante de electrones libres que actúan como un medio dispersivo para
señales GNSS, donde la ubicación particular de la ionosfera en la Tierra está
alternadamente iluminada por el Sol y en consecuencia, la característica de la exposición de la ionosfera ante el Sol es una variación diurna en el que la ionización suele ser máxima a las 2 la tarde y mínima un par de horas después de medianoche como se muestra en la figura 2.1, con el fin de ilustrar este efecto se presentan la ionosfera como un capa única variante del día y de la noche, donde se aproxima más al plano terrestre y en la noche se convierte en una capa muy tenue de forma lejana a la Tierra. Otras variaciones en la ionosfera son el resultado de cambios en la actividad solar.
El principal efecto de la ionosfera en las señales GNSS es cambiar la velocidad de propagación de la señal, en comparación con el espacio libre. La modulación de la señal (el código y el flujo de datos) se retrasa, mientras que la fase de la portadora se adelanta por la misma cantidad. En la medida de la pseudodistancia que se utiliza para medir la distancia entre receptores y satélites, la pseudodistancia puede ser de código o fase. Una pseudo-distancia se representa en la figura 2.2
[41].
Donde la diferencia entre el código recibido por el satélite es diferente al código generado por el receptor esta diferencia se conoce como pseudodistancia y
algunos autores lo consideran como retardo [19].
Figura 2.2 Pseudodistancia [16]
los fenómenos naturales del día y la noche. El retardo de la señal de un satélite al receptor en el cenit varía típicamente aproximadamente 1m por la noche y de 5 a 15m durante la tarde. El retardo es considerablemente menor en la noche que en el día, en los ángulos de baja altitud la trayectoria de propagación a través de la ionosfera es mucho más larga, por lo que los retrasos típicos correspondientes pueden aumentar hasta varios metros por la noche y por lo tanto como 50 m
durante el día [10].
2.3 Errores en la propagación troposférica
Para poder entender este error se debe recordar que la troposfera es una subcapa de la atmósfera que está en contacto con toda la superficie terrestre, es decir la primera subcapa que se encuentra hacia la salida al espacio exterior. Esta subcapa es mucho menos densa en las capas polares (zonas de latitudes altas) y es mucho mayor en el ecuador (latitudes bajas). La altura varía en función del año, es más alta en verano y más estrecha en invierno, esta es la que contiene el mayor porcentaje de la masa total que todas las demás capas. Se caracteriza por el cambio de temperatura conforme cambia la altura, la temperatura y el contenido
en vapor de agua disminuye rápidamente con forme la altitud [20].
Δ =∫ − � (2.3)
Que se puede escribir como:
= ∫ − = − ∫ (2.4)
Donde n es el índice de refracción del aire y N= − − es la refractividad. La
refractividad se puede dividir en componente hidrostática (gases secos
principalmente N2 y O2) y componente húmeda es decir, vapor de agua,
componentes N = ℎ� � +
Cada uno de estos componentes tiene diferentes efectos sobre las señales GNSS. La principal característica de la troposfera es que es un medio de comunicación no dispersivo con respecto a las ondas electromagnéticas de hasta 15 GHz, es decir, los efectos de la troposfera no son dependientes de la frecuencia de señales GNSS. Por esto que, las mediciones de fase de portadora y de código se ven afectadas por el mismo retardo.
mayor parte de la refracción troposférica (aproximadamente del 90%) proviene de la componente hidrostática y es predecible.
La troposfera no es dispersiva para las frecuencias GNSS, por lo que el retraso no es dependiente de la frecuencia en esta capa. En contraste con la ionosfera, el retardo del trayecto causado por la troposfera es por consiguiente el mismo para componentes de la señal de código y de la portadora. Por lo tanto, este retraso no se puede medir mediante el uso de ambas mediciones de pseudodistancia de L1 y
L2 o bien modelos y/o técnicas diferenciales que se utilizan para reducir el error[54].
El índice de refracción de la troposfera (retraso troposférico) consiste en la componente hidrostática y húmeda. Para conocer estos componentes se describe sobre la atmósfera, sus efectos de componentes secos y húmedos sobre las señales GNSS:
(a) Componente hidrostática o seca representa un error del 90% del retardo troposférico ya que varía con la temperatura y la presión atmosférica de una manera fácil de modelar ya que su variación a lo largo del día es muy pequeña. El retardo de la componente hidrostática es causada por los gases secos presentes en la troposfera (78% N2, 21% de O2, 0.9% de Ar). Su efecto varía con la temperatura local y la presión atmosférica de una manera bastante predecible, además que su variación es menor que el 1% en unas pocas horas. El error causado por este componente es de unos 2,3 metros en la dirección del cenit y 10 metros para las elevaciones más bajas.
(b) Componente húmedo representa el 10% del retraso a causa del vapor de agua y el agua condensada en las nubes aquí depende de muchas condiciones meteorológicas y esta componente húmeda varía rápidamente como se muestra en la figura 2.3. El retraso del componente húmedo en este caso es de algunas decenas de centímetros, pero este componente varía más rápido que el componente hidrostático y de una manera aleatoria, siendo muy difícil de modelar
Figura 2.3 Retraso troposférico por componentes húmedas
Con el conocimiento de la temperatura, la presión y la humedad a lo largo de la trayectoria de la propagación se puede determinar el perfil de refractividad, tales medidas están rara vez disponibles para el usuario. Estos modelos atmosféricos estándar se basan en las leyes de los gases ideales, en las capas atmosféricas de refractividad constante sin variación temporal y una altura atmosférica efectiva de unos 40 km. La estimación de retraso seco puede ser mejorada considerablemente si las mediciones de presión de la superficie y de temperatura están disponibles. El componente de retardo troposférico debido al vapor de agua (en altitudes aproximadamente de 12 km) es mucho más difícil de modelar porque hay una considerable variación espacial y temporal de vapor de agua en la
2.4 El problema de la trayectoria múltiple
La propagación por trayectos múltiples de la señal GNSS es una fuente dominante de error para el posicionamiento, especialmente en arquitecturas diferenciales GNSS. Los objetos en la vecindad de una antena receptora (en particular el suelo) pueden reflejar fácilmente las señales GNSS como se muestra en la figura 2.8, resultando en una o más trayectorias de propagación secundarias. Estas señales de ruta secundaria se superponen a la señal de vía directa deseada, siempre tienen un tiempo de propagación más largo y pueden distorsionar
significativamente la amplitud y fase de la señal de vía directa [34].
Los errores debido a trayectos múltiples no se pueden reducir mediante el uso del GNSS diferencial ya que dependen de la reflexión, de la geometría local cerca de cada antena receptora como lo es R3 de la figura 2.4. En un receptor sin la protección de trayectos múltiples el código de error C/A puede experimentar errores que van de 10 m o más. Las múltiples rutas no sólo pueden causar grandes errores de código también pueden afectar seriamente el proceso de resolución de la ambigüedad necesaria para la fase de la portadora que oscila tal
Figura 2.4 Errores de reflexión de la geometría local y vecindad de trayectorias múltiples
La propagación por trayectos múltiples se puede dividir en dos clases: estáticas como lo es el receptor R3 y R1 de la figura 2.8 y dinámicas como lo es el receptor R2 de la figura 2.8. Para un receptor estacionario, la geometría de propagación cambia lentamente a medida que el satélite se mueve cruzando el cielo, por lo que los parámetros de trayectoria múltiple esencialmente son constantes, quizá tarda varios minutos. Sin embargo, en aplicaciones móviles puede haber fluctuaciones
rápidas en fracción de segundos [10].
2.5 Errores de datos efemérides
Existen tres conjuntos de datos que están disponibles para determinar los vectores de posición y velocidad de los satélites en un marco de referencia terrestre en cualquier instante: los datos de almanaque, emisión de efemérides, y efemérides precisas. Los datos difieren en la precisión y están disponibles ya sea en tiempo real o con un cierto retraso (es decir, la latencia).
Pequeños errores en los datos de efemérides transmitidos por cada satélite causan errores correspondientes en la posición calculada por el satélite (aquí se excluye el componente de error de efemérides, que es considerado como una fuente de error separada). Las efemérides del satélite son determinadas por la estación de control maestro del segmento de Tierra GNSS, basado en el seguimiento de las señales individuales por cuatro estaciones de monitoreo. Debido a la ubicación de estas estaciones precisamente se conoce un proceso de
posicionamiento “invertido” que puede calcular los parámetros de la órbita de los satélites como si fueran usuarios. Este proceso es ayudado por relojes de precisión en las estaciones de control mediante el seguimiento, durante largos periodos de tiempo con un procesamiento óptimo del filtro. Basado en las estimaciones de los parámetros orbitales obtenidos, la estación de control maestro carga los datos de efemérides para cada satélite, luego transmite los datos a los usuarios a través del mensaje de datos de navegación. Los errores en la posición del satélite son calculados a partir de los datos de efemérides suelen dar lugar a
2.6 Errores del reloj en el satélite
La sincronización de la transmisión de la señal de cada satélite se controla directamente por su propio reloj atómico sin ninguna corrección aplicada. Este período es llamado tiempo de Vehículo Espacial (SV). Aunque los relojes atómicos de los satélites son muy precisos, los errores pueden ser lo suficientemente grandes que requieren corrección. La corrección es necesaria en parte debido a que sería difícil sincronizar directamente los relojes en todos los satélites cercanos. En cambio, a los relojes se les permite un cierto grado de desviación relativa que se estima por observaciones de la estación de Tierra y se utiliza para generar los datos de corrección del reloj en el mensaje de navegación GNSS. Cuando el tiempo de vehículo espacial SV se corrige utilizando estos datos, el resultado se denomina tiempo GNSS. En el momento de la transmisión el tiempo GNSS es utilizado en el cálculo de la pseudodistancia, que es común para todos los satélites. El error del reloj en el satélite es típicamente menos de 1 ms y varía
lentamente [10].
2.7 Errores del reloj del receptor
Debido a que la solución en la navegación incluye una solución para el error del reloj del receptor los requisitos para la precisión de los relojes de un receptor es mucho menos rigurosa que para relojes de los satélites GNSS. Para los relojes de los receptores la estabilidad a corto plazo durante el período de medición de pseudodistancia suele ser más importante que la precisión de la frecuencia. En casi todos los casos, estos relojes son osciladores de cristal de cuarzo con absoluta precisión en el intervalo de 1 a 10 ppm, rango típico de operación sobre el rango de temperaturas. Cuando se diseñan adecuadamente tales osciladores tienen estabilidades de 0,01-0,05 ppm durante un período de unos pocos
2.8 Generación de errores por los relojes en GNSS
El reloj del receptor no es tan preciso como el reloj atómico de hidrogeno, rubidio o cesio de un satélite. En contraste el reloj del receptor no puede ser atómico debido a que el costo sería demasiado grande y por razones de seguridad del material, esto no quiere decir que los relojes de los satélites sean libres de errores, pero la magnitud de los errores del reloj del receptor es mucho mayor. La mayoría de estos receptores se basan en relojes de cristal de cuarzo con
exactitud de 5 partes por millón [8].
Si se multiplica la exactitud de los relojes de cuarzo por la velocidad de la luz, el resultado de la probable precisión es de ±1500 metros siendo esto una distancia sin más información que la del valor numérico, pero si se utiliza un segundo satélite, se determina el rango de dos satélites, la posición calculada es proporcional en la puntualidad como se muestra en la figura 2.5, donde el rango actual del satélite B y la pseudo-distancia del satélite B se intersectan con el rango actual A y la pseudo-distancia del satélite A, la posición del objeto sigue siendo inexacta debido a que sigue existiendo un error causado por la inexactitud del reloj del receptor. La utilización de un tercer satélite hace que los pseudo-rangos o pseudo-distancias sean intersectados y que la inexactitud sea menor en la localización del objeto como se observa en la figura 2.6. Pero la inexactitud del tiempo del receptor sigue causando un rango de error que se ve reflejado en la posición. El receptor sabe que hay un error pero simplemente no sabe el tamaño
del error. Debido a que siempre el receptor sabe que la razón de las
pseudo-distancias de tres satélites no se intersecta, porque los relojes no son muy buenos. El receptor puede ser programado para el adelanto o retardo de los relojes hasta que las pseudo-distancias de los tres satélites convergen en un sólo punto como se muestra en la figura 2.7. Pero esto es la situación ideal en la que una señal no tenga ningún inconveniente, desde el momento que el satélite la transmita al
Figura 2.5 Error causado por la inexactitud del reloj receptor.
Debido a esto la increíble precisión o puntualidad del reloj del satélite ha sido "transferido" hacia el reloj del receptor en la señal, eliminando el error del reloj del receptor en la determinación de la posición.
Pero no el error en el retardo de la señal al receptor. La técnica anterior muestra como dentro de las dos representaciones dimensionales, el tiempo de exactitud del receptor es eliminada y la posición determinada por medio de los rangos de tres satélites. Cuando se extiende esta técnica a tres dimensiones se necesita agregar el rango a un cuarto satélite.
Figura 2.7 Convergencia de pseudorangos mediante el adelanto o el atraso de los relojes del receptor.
Esta es la razón para la línea de vista para un mínimo de cuatro satélites GNSS que son necesarios para la determinación de la posición. Sin estar exentas de un
error por la señal recibida. Debido a esto se necesitan por lo menos 4 satélites
para determinar la posición exacta, para efectuar, la idea de usar satélites en el espacio como puntos de referencia, para que el receptor mida la distancia que hay entre el satélite. Calculando cuánto tiempo tarda la señal enviada por el conjunto de satélites en llegar hasta el receptor llamándose esto como GNSS
3.1 Ionosfera
La ionosfera es un sistema dinámico que conforma la atmósfera la cual contiene una altura variante, es la región más alta de la atmósfera, es el componente ionizado de la atmósfera, su variación es la ionización y la temperatura, debido a que posee propiedades de gases y plasma, ésta incluye la densidad electrónica en iones y electrones libres, generalmente en igual número, en un medio eléctricamente neutro, incluye iones positivos y negativos, existen electrones libres y átomos neutros en un máximo de 350 km, es el resultado de la absorción de los rayos X con longitud de onda de 8 a 20 (Å) y rayos UV (ultra-violeta) de longitud de onda de 20 a 300 (Å) solares en la atmósfera. Debido a su constante dependencia de distintos factores su condición de altura es variante, la ionosfera cuenta con distintas capas como se muestra en la figura 3.1, con una aproximación de la distancia entre ellas con respecto al centro de la Tierra.
3.1.1 Características de la Ionosfera
La altitud de la ionosfera es variante pero se puede considerar a partir de 50 km hasta 1000 km. Por lo general, la ionosfera es una extensión de la termosfera, es una capa superior de la troposfera. Por lo que la ionosfera representa menos de 0,1% de la masa total de la atmósfera de la Tierra, pero tiene un gran efecto en el circuito eléctrico global del campo magnético de la Tierra y la propagación de la onda electromagnética.
La ionización parcial es la propiedad más importante de la ionosfera de la Tierra y su fuente de excitación incluye principalmente la radiación solar ultravioleta con una longitud de onda más corta que 102.7 nm, los rayos X solares, rayos cósmicos solares, partículas energéticas, forman parte de la fuente de excitación. A causa de las características físicas y procesos químicos responsables para la formación de la ionosfera hay cambios en la variación de las altitudes, en general, la ionosfera se divide en cuatro capas diferentes, D, E, y desde el fondo hasta la parte superior de la ionosfera. La figura 3.2 muestra el perfil de medias latitudes y la temperatura de la atmósfera neutra. La temperatura de la ionosfera de la Tierra está cambiando con el aumento de la altitud. La estructura vertical y la
Figura 3.2 Perfil de la temperatura atmosférica. Figura 3.3 Estructura ionosférica de verano en el día y la noche con las principales regiones de ionización [7].
3.1.2 Capas ionosféricas
La ionosfera está compuesta de diversas y cambiantes capas de aire rarificado con partículas ionizadas que se extienden en las regiones de la atmósfera a partir de los 50 u 80 Km de altitud. La ionosfera se distingue de las demás regiones de aire rarificado por su gran contenido de partículas cargadas iones y de electrones libres. La creación de estas capas de partículas de la ionosfera se extiende hasta los 1000 Km de altitud según la intensidad de la radiación solar y todo lo que contenga el astro. Las capas que dependen del contenido molecular y nivel de ionización pueden variar su altitud constantemente. Incluso cuando se conocen estas capas es posible mencionar sobre ciertas fronteras entre la capas con separación entre ellas. Como se muestra en la figura 3.4 se puede describir su
Figura 3.4 Orden de las capas ionosféricas [33].
![Figura 3.4 Orden de las capas ionosféricas [33].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4992047.76696/66.612.95.513.153.370/figura-orden-capas-ionosfericas.webp)
