GNSS diferencial. GPS diferencial. correcciones en tiempo real

CAPÍTULO 15. GNSS DIFERENCIAL

Posicionamiento GNSS

Relativo

POSPROCESO

ESTATICO CINEMATICO

TIEMPO REAL

DGPS RTK

Absoluto

FASE

CÓDIGO PPP

• Posicionamiento GNSS Geodesia-Topografía



• Los errores del sistema GNSS limitan (tiempo real): – Precisión.

– Integridad.

– Fiabilidad.

• Sistema de Corrección Diferencial en tiempo real. – Algoritmos que corrigen errores en tiempo real.

– Agrupa varias técnicas: • Sistemas de aumentación.

• WARTK.

• RTK. – Tradicional.

– Redes activas.

http://es.slideshare.net/juansegui/sistemas-de-posicionamiento-global-5053922












• Métodos de posicionamiento GNSS


• Sistemas de aumentación.

– Sistemas diferenciales.

– Desarrollados para ayuda en navegación aérea.

• DGNSS.

– Aumentación del GNSS.

– Basada en estaciones terrestres.

– Mejoran precisión e integridad.

– DGNSS Omnistar, WARTK, RTK, RTK-NTRIP, RTX…


• Clasificación GNSS Diferencial

GNSS diferencial DGNSS.

Aplicación:

Topografía.

Cartografía.

Agricultura de precisión.

Comunicación desde Tierra

Comunicación radio o telefonía móvil

RTK

NTRIP

Comunicación desde el espacio

Comunicación satelital

Omnistar

Skyfix

Starfix

Starfire

GNSS aumentación.

Aplicación:

Navegación.

Cartografía.

Comunicación desde tierra GBAS


LAAS

Pseudolites

Comunicación desde el espacio SBAS


WAAS

EGNOS, etc...


• El método diferencial.

– Utiliza dos equipos GNSS simultáneamente.

– Dos posiciones, una de ellas conocida.

• Estación de referencia.

• Móvil o Rover.

– Se consigue cuantificar algunos errores.

– Se pueden corregir errores en tiempo real.


• La corrección diferencial en tiempo real:

– Observable de código - GPS Diferencial DGPS.

– Observable fase - Cinemático en tiempo real RTK.

• Solución RTK convencional y estación única N-TRIP.

• Solución red RTK.


• Concepto general

– Receptor GNSS en pto. de coordenadas conocidas.

• Analiza las señales de todos los satélites visibles.

• Calcula los errores recibidos en la recepción de la señal.

• Calcula los errores de forma individual, por satélite.

• Trasmite esta información al receptor móvil.

– Receptor móvil

– Recibe las correcciones.

– Corrige sus observables.


• Exigencias

– Formatos de envío de correcciones.

• RTCM.

– Sistemas de comunicaciones.

• Radio – Limitaciones de cobertura

• Internet - NTRIP (Networked Transport of RTCM vía Internet protocol).

– Software específico.

– Hardware específico.


• GNSS diferencial FASE

• Formatos


• Avances en comunicaciones:

– Bluetooth, comunicación receptor-controlador.

– La antena puede llevar integrado:

• El receptor.

• La radio para RTK convencional.

– La controladora puede integrar:

• El sistema de telefonía para el caso de Ntrip.


• RTK convencional. – El radio modem:

• Frecuencia de 400-450 MHz. • Potencia limitada por ley a 0.5 vatios. • Alcance menor de 10 km. • Corrección única para todos usuarios.

– El equipo fijo requiere: • Sensor GNSS. • Antena. • Radiomodem.

– El equipo Rover: • Antena. • Sensor GNSS. • Controladora.


• Solución de estación simple: – Correcciones desde una única estación.

– La estación de referencia puede ser: • Permanente.

– Emite las correcciones vía NTRIP.

– Problemas de cobertura:

» Telefonía.

• Estacionada temporalmente. – Emite las correcciones vía radio UHF.

– Problemas de cobertura:

» Valles.

» Vaguadas.


• Limitaciones del RTK convencional:

– Necesidad de dos receptores.

– Distancia limitada de estación a referencia.

– Posible error grosero en establecimiento de ref.

– Dependencia de una estación de referencia.

– No existe monitor de integridad.


• Solución de red RTK – Red de estaciones permanentes GNSS. – La finalidad principal de la red es reducir errores:

• Ionosféricos. • Troposféricos. • Efemérides.

– Correcciones de toda la red. – Se elimina la limitación de distancia. – Enorme mejora de productividad. – Trabajo en sistemas de referencia. – Depende de cobertura. – Menor precisión.


• Solución de red RTK

– Los modelos empleados para corregir las observaciones en el Rover son:

• FKP (Flächen Korrektur Parameter)

• VRS (Virtual Reference Station)

• MAC (Master Auxiliary Concept)

– Comunicación y correcciones:

• Vía internet

• Conexión telefónica GPRS/UMTS 3G


• Errores con GNSS diferencial

– Se eliminan:

• Errores del reloj.

• Errores orbitales.

– Se disminuye:

• Errores ionosféricos.

• Errores troposféricos.

– Se mantienen:

• Multicamino

http://www.navipedia.net/index.php/File:Pseudorange_Contents.png





• Modo de enviar las correcciones:

– Hay que definir formato, sistema y protocolo.

– Gran variedad de formatos:

• DBEN (de Ashtech, Magellan Professional).

• CMR y CMR++ (de Trimble Corp.).

• RTCA (usado por Novatel, Leica y Sokkia).

• Formatos propietarios binarios de fabricantes.

– Esta variedad dificulta el trabajo a la hora de medir.


• Formatos de transmisión de datos: – Necesidad de establecer un estándar

– Formato de transmisión: • RTCM

– Sistema de comunicación: • Internet

– Protocolo de transmisión: • NTRIP

– Vía de acceso inalámbrico tecnologías de móvil: • GPRS

• UMTS


• RTCM – Radio Technical Commission for Maritime Services.

– www.rtcm.org.

– Varios comités especiales para elaborar normas Internacionales para la radionavegación.

• En 1983 el U.S. Institute of Navigation (ION) solicitó el desarrollo por parte de RTCM de un conjunto de recomendaciones para la transmisión de correcciones diferenciales a los usuarios del sistema GPS.

• RTCM estableció el Special Commitee No. 104 (SC-104) con el nombre de Differential Navstar GPS Service.


• RTCM Versiones: – RTCM 2.2

• Desde enero de 1998. • Añade los mensajes 31 – 36. • Incluye más información y la opción de transmitir correcciones de

más sistemas GNSS, como GLONASS.

– RTCM 2.3 • Desde mayo de 2001. • Más refinada. • Contiene tipos de antena.

– RTCM 3.0 • Desde abril de 2004. • Para trabajar en redes RTK.


• RTCM Trama: – Similar para todas las versiones. – Cada registro de datos contiene varios tipos de

mensajes: • Cabecera

– Tipo de mensaje. – Identificador de la estación de referencia. – Hora a la que fue generada la corrección (Z count). – Número de secuencia. – Longitud del mensaje. – Salud de la estación de referencia.

• Cuerpo – Datos correspondientes a cada tipo de datos.


• RTCM


• RTCM


• RTCM


• RTCM 3.1 Network – Estándar internacional oficial. – Definido por el comité SC RTCM-104. – Publicado oficialmente en octubre de 2006. – Ofrece una mayor compatibilidad. – Sigue la filosofía del MAC.

• Basado en una estación principal. • Las restantes estaciones secundarias.


• RTCA – Radio Technical Commission for Aeronautics.

– Estándar utilizado en navegación.

– Transmisión de mensajería de mejora de GPS en tiempo real: • EGNOS.

• WAAS.


• El protocolo NTRIP – Networked Transport of RTCM via Internet Protocol. – Desarrollado por:

• BKG (Bundesamt für Kartographie und Geodäsiebund). • Universidad de Dortmund.

– Basado en http (Hyper Text Transfer Protocol). – Permite transmitir cualquier “stream” de datos:

• GNSS • DGPS • RTK • Datos brutos • RTCA • RTCM


• NTRIP

– Tipos de conexiones a Internet:

• Redes tipo GSM, GPRS, UTMS.

• Conexiones simultáneas de PC, portátil, PDA o servidor.

– Precisión suficiente si la edad de la corrección no es mayor de algunos segundos.

– Es el estándar actual de transmisión de correcciones diferenciales a través de Internet.


• Componentes de NTRIP – Ntrip Sources – Fuentes.

• Estaciones permanentes GNSS. • Proporcionan continuamente datos GNSS (DGPS y RTK). • Como correcciones RTCM. • Referidas a una localización determinada. • En formato NTRIP.

– Ntrip Server – Servidor. • Software que corre en el procesador del centro de control. • Envía correcciones en formato RTCM.

– Desde un receptor GNSS (NTRIP Source). – A través del puerto COM. – Al Ntrip Caster


• Componentes de NTRIP

– Ntrip Caster - Distribuidor

• Servidor HTTP.

• Actúa como distribuidor entre Ntrip Server y Ntrip Clients.

• Se ejecuta en un servidor en el centro neurálgico de la Red.

• Recibe el flujo de datos generado por Ntrip Sources.

• Tiene una lista de mountpoints para proveer a Ntrip Client la información adecuada como coordenadas, identificador, etc.

• Chequea la calidad e integridad de los datos y autentifica los usuarios con su nombre y clave.


• Componentes de NTRIP – Ntrip Client – Cliente.

• Programa que permite: – Acceder a la lista de mountpoints del Caster.

– Poder recibir las correcciones que envía la Base.

– Aplicar las correcciones al Rover.

• Viene instalado en varios controladores GNSS.

• Introducir la dirección IP y conectarse al NtripCaster


• Componentes de NTRIP


• Protocolo NMEA – Envía posición y velocidad del usuario.

– Creado en 1983.

– Responde a las siglas de la “National Marine Electronics Association”.

– El protocolo más común para la conexión con dispositivos GPS.

– Soportado por casi el 100% de los dispositivos del mercado.

– Utiliza una velocidad binaria bastante lenta. • 4800 o 9600 baudios.


• Protocolo NMEA

– Sólo permite intercambiar información básica.

• Posición.

• Velocidad y tiempo.

• Orientación.

• Constelación de satélites.

• Altitud y separación del geoide.

• Precisión de la muestra.


• Protocolo NMEA

Mensajes NMEA Descripción

GPDBT Proporciona datos de la profundidad del receptor bajo el nivel del mar.

GPGGA Tiempo, latitud, longitud, altitud, separación del geoide, etc.

GPGLL Tiempo, latitud, longitud.

GPGSA Satélites activos.

GPGST Desviación RMS del error de la muestra, en latitud, longitud, altitud.

GPGSV Satélites a la vista, PRN, elevación, azimut y C/N0 (relación portadora a ruido).

HCHDG Mensaje propietario Garmin. Orientación, desviación y variación magnética.

GPHDT Orientación.

GPRMC Tiempo, latitud, longitud, velocidad y orientación.

PGRME Mensaje propietario Garmin. Error estimado horizontal (HPE), vertical (VPE) y esférico equivalente (EPE).

GPVTG Velocidad y orientación.


• Protocolo NMEA • Estructura del mensaje NMEA GPGLL

– Ejemplo: – $GPGLL, 3723.2475,N,12158.3416,W,161229.487,A*2C

Nombre Ejemplo Unidades Descripción

ID mensaje $GPGLL Cabecera del protocolo GPGLL

Latitud 37232475 ddmm,mmmm

Indicador N/S N N= Norte S = Sur

Longitud 121583416 ddmm,mmmm

Indicador E/O W E = Este O = Oeste

UTC de posición 161229487 hhmmss,sss

Estado de referencia A A = Datos validos V = Datos no válidos

Suma de verificación *2C

<CR> <LF> Final del mensaje


• Concepto de red RTK – Red de estaciones permanentes GNSS.

– Continuamente recibiendo señales de los satélites.

– Se envían al centro de control.

– Se ejecuta el software de la red RTK.

• Solución de red RTK – Proporcionan posicionamiento preciso en tiempo real.

– Constituyen un verdadero marco de referencia activo.

• Exigencias básicas para una red RTK – Conocimiento preciso de las coordenadas de las estaciones.

– Determinación de las ambigüedades entre las estaciones.


• Los errores dispersivos de la ionosfera:

– Varían más que los troposféricos u orbitales.

– El termino de latencia:

• Tiempo de envío y procesado de correcciones.

• No debe exceder de 1 segundo.

– Dependen de la distancia entre estación y móvil.

– Trabajar con una red permite:

• Alargar las distancias.

• Mejorar el modelo de corrección .


• Ventajas de la solución de red: – Exactitudes de la posición calculada más homogéneas. – Mayor fiabilidad, disponibilidad e integridad en las

correcciones. – Se reducen los tiempos de inicialización. – Se minimizan los errores sistemáticos:

• Ionosféricos. • Troposféricos. • Errores en las órbitas. • Errores en los relojes de los satélites. • Multipath.

– La precisión horizontal es de 1 a 2 cm, cuando las distancias entre las estaciones de referencia son de 50 a 70 km.


• Proceso RED RTK:

– En el servidor central se fijan las ambigüedades.

• A partir de datos de las estaciones permanentes.

– Las correcciones serán enviadas al receptor móvil.

– El receptor móvil se conecta al servidor de la red.

– El receptor recibe las correcciones del servidor.

– Calcula su posición usando un algoritmo.


• El algoritmo y la modelización de los errores dependen:

– VRS (Virtual Reference Station).

• Comunicación bidireccional

– FKP (Parámetros de correcciones de área lineal).

• Comunicación unidireccional

– Master Auxiliary Concept (MAC).

• MAX (unidireccional)

• I-Max (bidireccional)


• Virtual Reference Station (VRS).

– Desarrollado por la empresa alemana Terrasat.

– Presentado por Wanninger (1997).

– Introducido por primera vez en la red alemana SAPOS.

– Posteriormente Trimble absorbió Terrasat.

– Hoy hablar de VRS, es hablar de Trimble.

– Fue el primer sistema de corrección RTK en red.

– Permiten reducir errores sistemáticos.

– Facilita una mayor libertad de movimiento.


• VRS - Procedimiento (1) – Desde cada estación se envían datos a una estación central.

– La estación central realiza un cálculo de correcciones: • Tareas de control de calidad de los datos.

• Almacenamiento de los mismos.

• Estimación y modelado de errores: – Troposfera

– Ionosfera

– Errores orbitales

• Se fijan las ambigüedades.

• Se realiza el cálculo de la posición de la estación virtual.

• Se reconstruye la observación de la estación de referencia virtual.


• VRS - Procedimiento (2)

– Se simula una estación de referencia local virtual:

• Se necesita saber la posición del receptor móvil.

• Se calcula la posición aproximada.

• El receptor móvil transmite su posición mediante NMEA.

– Desde la estación virtual se generan las correcciones:

• Siempre que esté en el área de las estaciones de referencia.

• Si estuviese fuera se extrapola una solución.

– La solución se envía en tiempo real.

– El receptor móvil trabaja como en estación simple.


• VRS


• VRS - Ventajas

– Reduce errores sistemáticos:

• Ionosfera.

• Troposfera…

– Extiende el rango de funcionamiento.

– Mejora en la inicialización y precisión.

– Inversión menor del usuario.

– Elimina la necesidad de base de referencia.

– Todos utilizan el mismo sistema de referencia.


• VRS – Inconvenientes. – Es un método no estándar. – Utiliza algoritmos no publicados. – La estación de referencia no es real. – La línea de base entre la Estación Virtual de Referencia

y el punto de medida no puede ser directamente remedida.

– Las correcciones están optimizadas para la posición inicial.

– Requiere comunicaciones bidireccionales. • Mediante tecnología móvil (GSM, GPRS, UMTS, etc.). • Conexión inalámbrica a Internet.


• VRS – Proceso – Los datos de observación de las estaciones de

referencia que conforman la red son transferidos a un ordenador central.


• VRS – Proceso – El receptor Rover envía su posición al servidor. – Se establece la posición de la VRS.

VRS

NMEA


• VRS – Proceso – El servidor utiliza la posición VRS para crear datos. – El Rover trabaja como en RTK.

VRS

NMEA

RTCM


• VRS – Esquema de funcionamiento.


• FKP - Parámetros de corrección de área o planos. – FKP Flächen korrektur parameter. – Parámetros de corrección de planos. – Surgió posteriormente al VRS en Alemania. – Fue desarrollado por la empresa GEO++.


• FKP – No necesita saber la posición del receptor móvil. – Muy utilizado en:

• Alemania, redes SAPOS u ASCOS • Bélgica red WALCORS

– No se utiliza en España, pero sirve para entender el modelo MAC. – Aplica un modelo de errores de la zona de trabajo basado en una

interpolación lineal de los mismos y, utilizando las estaciones permanentes como puntos donde los errores son conocidos, calcula los parámetros de un plano interpolador.

– Los parámetros del plano son los que se envían al Rover, el cual se encarga de calcular las correcciones por interpolación para su área de trabajo.


• FKP – Ventajas:

• Las correcciones se relacionan a una estación de referencia real. – Son trazables y repetibles.

• Las correcciones se transmiten mediante un canal unidireccional. – Es el receptor móvil quien realiza los cálculos.

• El formato de transmisión es el RTCM 2.3.

– Inconvenientes: • Es un método no-estándar. • Utiliza algoritmos no publicados. • El servidor calcula la solución de red para reducir los errores

dependientes de la distancia. • La solución de red no es optimizada por el rover y podría estar

limitando la solución RTK.


• Master Auxiliary Concept - MAC – Se considera una evolución del FKP.

– Proporciona al receptor móvil los datos necesarios para calcular las correcciones de su posición de forma autónoma.

– Se basa en el cálculo del nivel común de ambigüedades: • Resolver las ambigüedades entre las estaciones de referencias.

• Eliminarlas de las ecuaciones de observación.

• Es posible calcular los errores dispersivos y no dispersivos: – Para cada pareja “satelite-receptor”.

– Para cada frecuencia.


• Master Auxiliary Concept - MAC – Cálculo de las correcciones:

• La información se transmite al receptor móvil: – Datos crudos de la estación máster (RTCM 3.0 mensaje 1004). – Observaciones reducidas del resto de estaciones cercanas con respecto a la

estación máster con las ambigüedades eliminadas.

– Funcionamiento: • Transmite al Rover las correcciones de la red de forma compacta • El ancho de banda se reduce separando las correcciones en dos partes:

– Correcciones de fase debido a errores dispersivos – Ionosféricos. – Correcciones de fase debido a errores no dispersivos - Orbitales y troposféricos.

– El formato del mensaje propuesto proporciona ahorro de tiempo comparado con las correcciones convencionales RTK.


• Master Auxiliary Concept - MAC – La determinación de ambigüedades es fundamental. – El número de ambigüedades se descompone:

• Una parte fija inicial 𝑁0. • Una parte variable 𝑁𝑖.

– Si se elimina la parte entera 𝑁0 cualquier receptor en campo puede fijar sus dobles diferencias con respecto a cualquier estación de referencia. • Nivel común de ambigüedades.

– El software de procesamiento reduce las ambigüedades de fase de todas las estaciones de referencia de la red a un nivel común.

– A partir de aquí se pueden calcular los errores dispersivos y no dispersivos para cada pareja de satélite-receptor y frecuencia.


• Master Auxiliary Concept - MAC • Pasos fundamentales para el cálculo de correcciones (1):

– Transmisión de datos de las estaciones al centro de procesamiento. – Cálculo del nivel común de ambigüedades.

• El software del centro de control debe modelar: – Ionosfera – Troposfera – Errores orbitales – Errores de reloj

– Formación de los mensajes de red. • Una de las estaciones de referencia asume el papel de estación máster.

– Transmite sus observaciones completas (mensaje 1003-1004, RTCM 3.0). • El resto de estaciones, denominadas auxiliares.

– Se transmiten diferencias de correcciones resultado de formar simples diferencias entre estaciones (mensaje 1017, RTCM 3.0).


• Master Auxiliary Concept - MAC • Pasos fundamentales para el cálculo de correcciones (2):

– Transmisión de mensajes con correcciones de red al receptor. – Utilización de la información transmitida por el Rover.

• Determina los errores dispersivos y no dispersivos en su localización.

– Determinación de la posición del Rover. • El receptor móvil resuelve sus ambigüedades . • Determina su posición utilizando toda la información de la red de

referencia.

• El volumen de datos transmitidos utilizando MAC es mayor que VRS o FKP.

• El formato está diseñado para ser más eficiente.


• Master Auxiliary Corrections - MAX – Solución comercial del método MAC original.

– Las correcciones se transmiten en formato RTCM 3.1.

– El software de gestión de la red es Leica GP Spider. • © Leica Geosystem

– Si existe comunicación bidireccional entre el centro de control y el Rover, la estación máster siempre será la más cercana a la posición del Rover.


• MAX - Ventajas – Es un método estandarizado. – Utiliza algoritmos publicados. – Siempre se puede trazar una línea base a estaciones de referencia reales. – RTCM Comisión Especial 104 ha reconocido MAX como el estándar oficial

para las correcciones de red RTK y lo ha incluido en sus documentos estándares RTCM 3.1.

– La solución de red está bajo el control del equipo Móvil. • Interpolación, ya sea simple de las correcciones de red como FKP. • Cálculo más riguroso, con múltiples líneas base auxiliares.

– Con datos MAX se puede reconstruir para el móvil los datos de ambigüedades.

– Permite maximizar el uso de todos los datos para calcular la mejor solución. – Permite al móvil medir una línea base real. – Las medidas son trazables y repetibles.


• Master Auxiliary Corrections - MAX


• Individualized Master Auxiliary Corrections – I-MAX. – Similar al VRS. – Requiere que el móvil envie una posición aproximada. – Se emplea con receptores que no tienen la capacidad de interpretar el

mensaje con las correcciones de red en formato RTCM 3.1. – Es un método no estándar. – Utiliza algoritmos no publicados para generar correcciones de red RTK . – Uso de los datos de satélites:

• Genera correcciones que simulan una única referencia RTK. • Limita los datos de los satélites que puede usar el Rover. • Podría no llegar a obtenerse una posición.

– Las correcciones están relacionadas con una estación principal. – La línea base entre la estación principal y el punto de medición se puede

remedir siempre. – Las medidas son trazables y repetibles .


• I-MAX. Esquema de funcionamiento.


• Repetidor de señal. – Para cobertura por telefonía de GSM/GPRS escasa.

– Dificultad de recibir correcciones diferenciales vía VRS.

– Dispositivo: • Posicionados en puntos donde reciban bien la señal.

• Desde ellos se puede retransmitir la señal.

• Utiliza un sistema de radio local.

• Permite trabajar a varios usuarios.


• Trimble RTX


• Trimble R10: Trimble xFill. – Trabajar cuando se pierde cobertura de internet.

– Basado en la tecnología RTX de Trimble.

– Con cobertura mundial.

– Recepción de correcciones vía satélite

– La precisión diverge con el tiempo. • Hz: RTK + 10mm/min

• Vert: RTK+20mm/min


• OmniSTAR HP – Mejor solución de corrección de OmniSTAR.

– Es una solución de L1/L2. • Requiere un receptor de doble frecuencia.

– Correcciones en una red mundial.

– Exactitud esperada (95%) 2𝜎 10cm.

– Particularmente útil para guía de maquinaria agrícola y muchas tareas de agrimensura.

– Funciona en tiempo real y sin la necesidad de estaciones Base.


• Agricultura de precisión.


• Topcon G3. Guiado y control de maquinaria.

– Lo último en sistemas de agricultura de precisión.

– Incluye:

• Sensores inerciales.

• Control de la dirección.

• WAAS y EGNOS.

• Posibilidad de RTK.


• Sistema GreenStar de Jhon Deere.

Monitor GreenStar 2100 Receptor de posición Starfire, doble frecuencia 10 canales

Modelo de compensación del terreno

• Agricultura de precisión • TEEJET Matrix® Pro GS Guidance


FIN

GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN


Education

GNSS diferencial. GPS diferencial. correcciones en tiempo real