La localización por satélite GNSS está presente en la vida cotidiana de todos los días. Con una gran variedad de campos de aplicación, su funcionamiento es a menudo poco conocido. ¿Cómo funciona? De la teoría a la práctica, los principios fundamentales del posicionamiento GNSS
Debemos el Global Positioning System ( GPS ) a la armada estadounidense. A partir de 1973, creó la primera tecnología de posicionamiento por satélite. Originalmente reservado para un uso estrictamente militar, el GPS se abrirá libremente en el año 2000 a aplicaciones civiles. A lo largo de los años, ha ocupado un lugar fundamental en la sociedad.
Aunque el lenguaje cotidiano utiliza a menudo el término « GPS » para evocar esta tecnología, es más justo hoy en día hablar del Sistema Global de Navegación por Satélite ( GNSS ). De hecho, otras constelaciones y sistemas de posicionamiento se han unido al GPS estadounidense.
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Hoy en día, tenemos miles de satélites alrededor de la Tierra. Entre ellos, se pueden mencionar los satélites de las constelaciones GPS estadounidenses, GLONASS rusos, GALILEO europeos, BEIDOU chinos… No todos están aún operativos al 100%. Este es el caso de GALILEO y BEIDOU, que deberían estarlo en 2020.
El principio de funcionamiento se basa en la intersección de las señales electromagnéticas emitidas por los satélites. El usuario detecta las señales de satélites que definen segmentos de usuario de satélites cuya intersección geométrica permite la localización.
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Para estar permanentemente funcionales en cualquier lugar y en cualquier momento, las soluciones actuales utilizan señales provenientes de varias constelaciones. Esta superposición de información permite una mejor precisión, tiempos de convergencia casi instantáneos y disponibilidad 24/7 en todo el mundo.
La precisión de los receptores es, en el mejor de los casos, métrica. Se utilizan diversos cálculos y estrategias para mejorar esta precisión. TERIA es una de las herramientas para aumentar la precisión. Permite al usuario obtener una precisión centimétrica y en tiempo real.
La llegada de nuevas soluciones centimétricas nos permite abordar nuevos campos de aplicación: guiado autónomo de vehículos, usos marinos, drones, etc.
Las constelaciones operativas nominales GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… se componen de varias decenas de satélites que operan a una altitud de casi 20,000 km a lo largo de órbitas distribuidas uniformemente para cubrir todos los continentes .
Gracias a esta cobertura, el usuario puede ver simultáneamente entre cinco y treinta y cinco satélites dependiendo de su posición en la Tierra.
Cada constelación es monitoreada y controlada por estaciones de control que actualizan la información (posiciones, efemérides y corrección de relojes) de todos los satélites. Luego, difunden sus parámetros a la Tierra a través de ondas electromagnéticas que transportan señales codificadas.
Los satélites GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… tienen relojes atómicos que proporcionan una datación extremadamente precisa . La información temporal se coloca en los códigos transmitidos por satélite. El receptor determina luego continuamente la hora a la que se ha transmitido la señal. La señal también contiene datos orbitográficos para que el receptor pueda calcular la ubicación de los satélites. Esto se llama información de navegación.
El receptor GNSS (teléfono, topografía, agricultura, automóvil/sistema de guiado aeronáutico…) utiliza la diferencia de tiempo entre la recepción y el tiempo de difusión de la señal para determinar la distancia entre el receptor y el satélite. El receptor multiplica el tiempo de viaje por la velocidad de la luz para calcular la distancia receptor/satélite.
Así, un GNSS móvil que capta señales de al menos cuatro satélites puede localizar con precisión en tres dimensiones cualquier punto situado en la visibilidad de los satélites. Para ello, utilizará la intersección de estos vectores satélite-receptor.
No obstante, incluso en ausencia de obstáculos, factores perturbadores importantes requieren una corrección de los resultados del cálculo. El primero es el cruce de las capas inferiores de la atmósfera, la troposfera. La presencia de humedad y los cambios de presión en la troposfera alteran el índice de refracción y, por lo tanto, la velocidad y la dirección de propagación de la señal satelital.
El segundo factor de perturbación es la ionosfera. Esta capa ionizada por la radiación solar cambia la velocidad de propagación de la señal. La mayoría de los receptores integran un algoritmo de corrección.
La tercera y última etapa consiste en determinar una posición precisa. El receptor podrá realizar una trilateración de la posición a partir de los datos de distancia recolectados entre el receptor y varios satélites.
Un receptor GNSS necesita al menos 4 satélites para poder calcular su propia posición. Tres satélites determinarán la latitud, la longitud y la altura. Mientras que el cuarto permite sincronizar el reloj interno del receptor.
Para popularizar la demostración, nos situamos en un plano 2D. El principio será idéntico para pasar al espacio 3D. Solo los círculos serán reemplazados por esferas.
Supongamos que el receptor está a 25,000 km de un primer satélite dado. Esto significa que el receptor puede estar ubicado en cualquier lugar dentro del círculo de 25,000 km de diámetro, con el satélite como centro.
La caja también recibirá una señal de un segundo satélite a 20,000 km, por ejemplo. Concluirá que también está en este círculo. Su posición exacta estará en la intersección de los dos círculos, es decir, dos posibilidades.
Para determinar cuál de estas posibilidades es correcta, se necesita la señal de un tercer satélite. Para la demostración, lo imaginaremos con un diámetro de 15,000 km.
En la intersección de estos tres círculos, solo queda un único punto posible en un plano 2D. Acabamos de geolocalizar nuestro receptor.
Desliza para pasar de 2D a 3D
Para pasar a la 3D, sería necesario un cuarto satélite, ya que la intersección de 3 esferas da 2 puntos. Sin embargo, podemos prescindir de uno de ellos porque solo uno de los dos puntos es geométricamente coherente. Y así habría aún una posibilidad de eliminar.
No obstante, el uso de un cuarto satélite es necesario , ya que proporciona soluciones en función del tiempo de propagación de la señal. Los receptores GNSS en tierra solo tienen relojes aproximados que no tienen la precisión de los relojes atómicos satelitales. El resultado es una desincronización que debe resolverse para controlar la distancia receptor-satélite y luego obtener una geolocalización correcta.
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El ejemplo hace referencia al uso de cuatro satélites, pero los receptores GNSS son capaces de seguir muchos satélites a la vez (estaciones, topografía, teléfono, dispositivo de navegación…). Esto mejora la precisión, el tiempo de convergencia, la cobertura y reduce los riesgos de errores.
En promedio, un receptor puede capturar 7satélites de la misma constelación (14 satélites en GPS — GALILEO). Para el posicionamiento centimétrico, al menos 5 satélites son indispensables.
Actualmente 129 satélites de posicionamiento por satélite están activos y disponibles para aplicaciones civiles:
Para las aplicaciones en las que la precisión centimétrica es esencial (vehículo autónomo, batimetría, topografía…), esto no es suficiente. De hecho, las distorsiones en la propagación de las señales pueden llevar a errores de varios metros. Este es el caso en particular en el cruce de las capas atmosféricas.
Algunas soluciones como TERIA pueden corregir estos errores de medición y proporcionar un posicionamiento centimétrico de 1-2 cm en tiempo real .
Se basan en redes de receptores todos conectados a centros informáticos, que modelan todos los errores y correcciones de retorno (PPP, PPP-RTK, NRTK y RTK) en tiempo real a los usuarios
Para localizar matemáticamente un objeto en la Tierra de manera inequívoca, es necesario definir un depósito geodésico que se expresa mediante coordenadas geográficas que son más a menudo: latitud, longitud y altitud (o elevación) respecto al nivel medio del mar (elevación ortométrica) o respecto a una superficie de referencia, generalmente elipsoidal (elevación elipsoidal).
Históricamente, los sistemas geodésicos se determinaban a partir de medidas angulares y de longitud. Un sistema geodésico estaba asociado a una red geodésica, un conjunto de puntos cuyas coordenadas se habían determinado a partir de medidas terrestres.
La tecnología espacial ha permitido definir sistemas geodésicos globales. El sistema geodésico más utilizado en el mundo es el Sistema Geodésico Mundial 1984 ( WGS84 ), asociado con el sistema de posicionamiento GPS estadounidense.
Fuente: color-science.eu gnssplanning.com ¿Quieres probar TERIA para tu empresa?
Etiqueta: actualizar un GPS