Posicionamiento y Mediciones con GPS: Técnicas y Aplicaciones

Estructura de la Señal GPS

La señal comprende dos ondas portadoras, L1 y L2, y dos códigos, C/A y P.

Observables GPS

Se define como observable GPS a la medida de distancia entre el receptor y el satélite, derivada ya sea por medidas de tiempo o por diferencia de fase. Se basa en la comparación entre la señal recibida por el receptor procedente del satélite y la réplica de dicha señal generada por el receptor.

Definición

Es el tiempo que tarda la señal en viajar desde el centro de fase de la antena del satélite (instante de emisión) hasta el centro de fase de la antena del receptor (instante de recepción).

Distancia a partir de Observaciones de Código

Pseudodistancias (Código)

• Cada satélite transmite una señal única que se repite cada 1 msg.
• El receptor compara una señal generada internamente con la recibida.
• A partir de la diferencia de tiempo se puede derivar la observación de la distancia.
• El reloj del receptor debe estar sincronizado con el reloj del satélite.

Mediciones de GPS con Código

Pseudorangos o Pseudodistancias

• La distancia se calcula por la diferencia de tiempo entre la velocidad de transmisión de la señal GPS.
• Distancia = Velocidad x Tiempo
• D = V x T

Distancia a partir de Observaciones de Fase

• La longitud de onda es de L1 = 19 cm y L2 = 24 cm.
• 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).

Mediciones de GPS con Fase Portadora

• La distancia se calcula por medio del número de ciclos recibidos y estos son multiplicados por la longitud de onda.
• Distancia = Número de ciclos x Longitud de onda

Posición y Exactitud de un Punto

• Posición de puntos con al menos 4 satélites GPS y buena geometría.

Fuentes de Error

• Error en el satélite: incertidumbre de la órbita, modelado del reloj del satélite.
• Errores en el receptor: reloj del receptor, ruido en el receptor.
• Errores de observación: retraso ionosférico, retraso troposférico.
• Errores de estación: coordenadas de estación, caminos múltiples.

Cómo Mejorar la Precisión

• Utilizando el GPS diferencial: elimina los errores en los relojes del satélite y receptor, minimiza los retrasos atmosféricos. Exactitud: 5 mm – 5 m.

Código/Fase Diferencial

• Si se utiliza solo código, la precisión está en el rango de 30-50 cm. A esto se le conoce típicamente como DGPS.
• Si se utiliza código + fase, la precisión es del orden de 3-5-10 mm + 0.5 ppm.

Ambigüedad de Fase Inicial

• Se debe determinar la ambigüedad de fase inicial para poder utilizar los datos de fase portadora como medidas de distancia.

Pérdida de Precisión (DOP)

• 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): incluye latitud, longitud, altura y tiempo.
• PDOP (Posición): incluye latitud, longitud y altura.
• HDOP (Horizontal): incluye latitud y longitud.
• VDOP (Vertical): incluye altura solamente.

Resumen de Posicionamiento GPS

• Posicionamiento Puntual: 10-15 m (solución de una época).
• Código Diferencial: 30-50 cm (Código P) — 1-5 m (Código C/A).
• Fase Diferencial: 5 mm + 1 ppm —- 3 mm + 0.5 ppm (con antena de choke ring).

Equipos y Aplicaciones

• Segmento de usuario: recibe las señales de los satélites y las utiliza para calcular la posición de un punto móvil.
• Antena: recibe la señal de los satélites.
• Receptor: registra los datos transmitidos y calcula la distancia receptor-satélite.
• Procesador: convierte los datos en una posición tridimensional y almacena la información obtenida.

GPS Diferencial

• Elimina los errores en los relojes y en las efemérides.
• Elimina los efectos atmosféricos.
• Diferencial en Postproceso: solución u obtención de las coordenadas en proceso posterior.
• Diferencial en Tiempo Real: obtención de las coordenadas al instante.

Postproceso GPS Diferencial

• Carga de los datos de observaciones GPS al programa de postproceso (Software LEICA).
• Programa de postproceso: LEICA Geo Office V3.0.
• Cálculo de la posición.
• Métodos diferenciales.
• Transformación de coordenadas.
• Exportación/Importación de datos.
• Ajuste de redes.
• Cálculos geométricos.
• Procesamiento de poligonales.
• Administración de formatos TPS.
• Imágenes de fondo.

GPS Diferencial de Tiempo Real

• Radio módem: establece el radioenlace entre las estaciones.
• Antena: recibe la señal de los satélites.
• Receptor: registra los datos transmitidos y calcula la distancia receptor-satélite.
• Procesador: convierte los datos en una posición tridimensional y almacena la información obtenida.
• Se determina una posición a partir de una conocida.
• Punto a medir ——- punto conocido X, Y, Z ——– Punto a medir
• —— línea base

Aplicaciones del Sistema GPS

• Geodesia.
• Topografía.
• SIG.
• Navegación.
• Sincronización.

Ventajas del Sistema GPS

Ventajas vs. Equipo Convencional

• No es necesario 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.

Limitaciones del Sistema GPS

Ventajas vs. Equipo Convencional

• Mediciones a cielo abierto.
• Obstrucciones: interferencias electromagnéticas.
• Edificios y construcciones, cerros y montañas, follaje.

Tipo de Receptor GPS a Emplear

Receptor de Doble Frecuencia

• Son los más actuales en el mercado de GPS.
• Precisión de línea base de 3 mm + 0.5 ppm (emc).
• Se emplea en todo tipo de levantamientos con GPS.
• Redes de control geodésica.
• Monitoreo de placas tectónicas.
• Densificación de redes, control fotogramétrico, levantamientos de detalle, etc.
• Diariamente se encuentran nuevas aplicaciones.

Receptores de una Frecuencia

• Precisión de la línea base de 1 cm + 2 ppm (emc).
• Emplea postproceso de fase portadora en L1.
• Se emplean para todos los levantamientos con líneas base de hasta 15 km.
• Densificación de redes.
• Levantamientos de detalle.
• Menos costoso, alternativa a los de doble frecuencia.

Una Frecuencia vs. Doble Frecuencia

Métodos de Observación GPS

• Hay diferentes métodos o técnicas de observación GPS que son empleadas en función de las precisiones esperadas, nivel de complejidad y costos.
• La elección del método dependerá de dos factores: equipo disponible, precisión final/rendimiento que se quiere alcanzar.
• Los métodos de observación se clasifican en función de:
• El observable utilizado.
• Movimiento de receptor.
• Tipo de solución.
• Disponibilidad de la solución.

GPS para Topografía

• Todos los levantamientos con GPS se llevan a cabo aplicando técnicas diferenciales. Es decir, se mide una línea base a partir de un punto fijo (estación de referencia) hacia un punto desconocido (estación móvil).
• Se lleva a cabo mediante uno de los siguientes métodos:
• Postproceso: se graban los datos GPS crudos de los satélites y se procesan mediante software en la oficina.
• Tiempo Real: el procesamiento de datos se lleva a cabo en el momento de la medición, obteniendo una posición instantánea y precisa.

Estático

• Método clásico para líneas largas y alta precisión.
• Cada línea se observa por lo menos durante una hora.
• El tiempo de observación es proporcional a la longitud de la línea.
• Método aplicado para líneas mayores de 20 km.
• Aplicaciones:
• Control geodésico para grandes áreas.
• Redes nacionales y continentales.
• Monitoreo tectónico.
• Ajuste de redes de gran precisión.

Estático Rápido

• Tiempos cortos de observación para líneas base de hasta 20 km.
• Aplicaciones:
• Levantamientos de control, inventarios urbanos para SIG, levantamientos de detalle. Reemplazo de poligonales y triangulación local. Cualquier trabajo en el que se requiera levantar muchos puntos.
• Ventajas:
• Sencillo, rápido, eficiente.
• Ideal para levantamientos de corto alcance.

Estático Rápido

Paso 1

• Establecer el receptor en la estación de referencia base.
• Establezca en la estación Referencia 2 el móvil.

Paso 2

• Las estaciones base y referencia 2 serán estaciones de referencia.
• Con una tercera unidad desplácese a las estaciones 1, 2, 3 y 4.

Paso 3

• Desplace el receptor de referencia a la estación 4.
• Establezca el móvil en la estación Ref3.

Paso 4

• La estación 4 y Ref3 serán estaciones de referencia.
• Con la tercera unidad haga móvil en las estaciones 3, 5, 6, 7.

Reocupación

• La estación de referencia rastrea continuamente sobre un punto conocido.
• El receptor móvil permanece durante un corto periodo en cada punto.

La Reocupación

• La estación de referencia rastrea continuamente sobre un punto conocido.
• El receptor móvil permanece durante un corto periodo en cada punto.
• Después de una hora cada punto es reocupado por un corto periodo.
• Método ideal en condiciones no satisfactorias para aplicar el método estático rápido.

Parar y Seguir

Modo Parar

• Antes de comenzar, el móvil debe resolver ambigüedades.
• Las ambigüedades se resuelven mediante una de las siguientes técnicas:
• Inicialización Estática.
• Inicialización en un punto conocido.

Parar y Seguir

Modo Seguir

• Una vez que se tienen datos suficientes para resolver las ambigüedades, el usuario puede mover el receptor.
• Se debe mantener en forma permanente la señal de por lo menos 4 satélites.
• En cada punto se requieren únicamente 2 segundos de toma de datos.
• Si se pierde la señal, se debe reiniciar el sistema.
• Aplicaciones:
• Levantamiento de detalles en áreas abiertas.

Cinemático

• Modo parar:
• Primero el móvil debe inicializar.
• Modo desplazarse:
• Primero el móvil debe inicializar.
• Una vez que se tiene suficientes datos para resolver ambigüedades, el usuario puede mover el receptor.
• Se debe mantener todo el tiempo la señal de por lo menos 4 satélites.
• El móvil graba datos cada determinado tiempo especificado previamente.
• Si se pierde la señal, el sistema debe reiniciarse.

Cinemático sin Inicialización

• Modo desplazarse:
• No requiere de una inicialización estática.
• Las ambigüedades se resuelven después de cierto tiempo, cuando el móvil se ha desplazado, rastreado continuamente un mínimo de 5 satélites en L1 y L2.
• Si al pasar bajo una obstrucción ocurre una pérdida de señal:
• Las ambigüedades se resolverán nuevamente al adquirir 5 satélites en L1 y L2 y el rastreo sea consistente en un periodo breve de tiempo.
• Con esta técnica se puede posicionar puntos hasta aquel donde se recibió el número mínimo necesario de satélites.

Cinemático On The Fly

Tiempo Real

• Tiempo real en código y tiempo real en fase.
• No se requiere postproceso.
• Se obtienen resultados al instante.
• Puede operar en 2 modos:
• RTK.
• RT-DGPS.

Precisión y Tiempos de Observación

Estático

Estático Rápido

PARAR Y SEGUIR

MODO PARAR

• Antes de comenzar el móvil debe resolver ambigüedades
• Las ambigüedades se resuelven mediante una de las siguientes técnicas
• Inicialización Estática
• Inicialización en un punto conocido

PARAR Y SEGUIR

MODO SEGUIR

• Una vez que se tienen datos suficientes para resolver las ambigüedades, el usuario puede mover el receptor.
• Se debe mantener en forma permanente la señal de por lo menos 4 satélites
• En cada punto se requieren únicamente 2 segundos de toma de datos
• Si se pierde la señal se debe reiniciar el sistema
• APLICACIONES
• Levantamiento de detalles en áreas abiertas

CINEMATICO

• Modo parar
• Primero el móvil debe inicializar
• Modo desplazarse
• Primero el móvil debe inicializar
• Una vez que se tiene suficientes datos para resolver ambigüedades, el usuario puede mover el receptor
• Se debe mantener todo el tiempo la señal de por lo menos 4 satélites
• El móvil graba datos cada determinado tiempo especificado previamente
• Si se pierde la señal el sistema debe reiniciarse

CINEMATICO SIN INICIALIZACION

• Modo desplazarse
• No requiere de una inicialización estática
• Las ambigüedades se resuelven después de cierto tiempo, cuando el móvil se ha desplazado, rastreado continuamente un mínimo de 5 satélites en L1 Y L2
• Si al pasar bajo una obstrucción ocurre una pérdida de señal
• Las ambigüedades se resolverán nuevamente al adquirir 5 satélites en L1 y L2 y el rastreo sea consistente en un periodo breve de tiempo
• Con esta técnica se puede posicionar puntos hasta aquel donde se recibió el número mínimo necesario de satélites

CINEMATICO ON THE FLY

TIEMPO REAL

• Tiempo real en código y Tiempo real en fase
• No se requiere post proceso
• Se obtienen resultados al instante
• Puede operar en 2 modos
• RTK
• RT-DGPS

PRECISION Y TIEMPOS DE OBSERVACION

ESTATICO

ESTATICO RAPIDO

REOCUPACION

INTERVALOS RECOMENDADOS DE REGISTRO

METODOLOGIA VS APLICACIÓN