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Tecnología GNSS – Avances Recientes Ing. Jaime Ayala Prometric Technologies, SA de CV
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Tecnología GNSS
–
Avances Recientes
Ing. Jaime Ayala
Prometric Technologies, SA de CV
Índice
La Línea del Tiempo
Conceptos de Posicionamiento GNSS
RTK - Principales métodos
Solución de las Ambigüedades Tradicional
HD-GNSS, Topografía de Alta Precisión
xFill, Posicionando sin Flujo de Correcciones
Soporte GNSS a Futuro
Resumen y Preguntas
Introducción
Desarrollo de los sistemas GNSS de alta precisión
desde la mitad de los 80tas
RTK establecido vía tecnologías emergentes:
Radios de comunicación; flujo de datos de
corrección; códigos precisos; inicialización al-vuelo;
procesadores rápidos
La técnica de inicialización ha sido efectiva pero los
conceptos fundamentales permanecen sin cambios
Los últimos sistemas de topografía incorporan nueva
tecnología RTK apuntada a mejorar la productividad
de campo, incluyendo HD-GNSS y xFill
1988… Trimble 4000SD¡Al Inicio de la Topografía de Alta Precisión!
Tecnología que rompe esquemas
¡Doble-frecuencia, canales - 5 L1 y 5
L2!
¡Almacenamiento interno de 1 Mb!
¡Solo 44.5kg, 66Watts! (excluyendo
la batería)
Pos-proceso en la oficina, TrimVec
1.10kg (con batería)
... 2012 Trimble R10
Épocas de Innovaciones Mayores en RTK 4000SLD - Primer Cinemático (1988)
1990 1995 2000 2005 2010 20151985
Nueve Satélites
GPS en orbita
Peso Total: 20Kg (sin batería de coche)
Épocas de Innovaciones Mayores en RTK 4000SSE - Primer RTK con Inicialización Al-vuelo (1994)
1990 1995 2000 2005 2010 20151985
GPS Declarado
Completamente
Operacional
Peso Total: 7.0kg (¡con todo!)
Épocas de Innovaciones Mayores en RTK4800 - Primer RTK ¡Sin Ataduras! (1997)
1990 1995 2000 2005 2010 20151985
Peso Total: 3.9kg (móvil RTK completo)
Mayores Épocas de Innovación RTK R8-GNSS, Primer RTK GPS/GLONASS (2005)
1990 1995 2000 2005 2010 20151985
Disponibilidad
Selectiva (SA) fue
Apagada
Primer Lanzamiento
de un Satélite GPS
Modernizado (IIR-M)
Peso Total: 3.71kg (móvil RTK completo)
Cuatro generaciones del R8
Épocas de Innovaciones Mayores en RTK R10 – Tecnología para la Productividad (2012)
1990 1995 2000 2005 2010 20151985
Satélites en orbita
31 GPS y
24 GLONASS
Peso Total: 3.57kg (móvil RTK completo)
Fundamento Técnico- Principios del Posicionamiento GNSS
Posicionamiento Autónomo
El receptor GNSS mide el
seudorango (distancia) a
cada satélite a la vista
La ubicación de cada satélite es
extraída de los parámetros orbitales
(Mensaje de Navegación)
La posición y el tiempo son determinados por
el receptor usando seudorangos y ubicaciones
conocidas de los satélites (trilateracion)
Fundamento Técnico - Errores que afectan las mediciones GNSS
Los errores en la orbita y el reloj
del satélite afectan directamente
la medición de la distancia
usuario-satélite
Multicamino - es
causado por el
reflejo de la señal en
objetos cercanos
Obstrucciones a la señal degradan
la precisión de la medida
Ionosfera (altitud 50-1000km)
causa un error dependiente
de la frecuencia en las
mediciones GNSS
Troposfera (< 50km) causa un
retraso en las señales GNSS
Posicionamiento Diferencial - DGNSS y RTK, usando flujo de corrección
Los errores de satélite y
atmosféricos son casi idénticos
para dos receptores GNSS poco
espaciados
Con la técnica diferencial, se calcula la
posición relativa de un móvil con respecto
a una sola estación de referencia
Correcciones diferenciales son
generadas por la estación de
referencia y aplicadas en el móvil
Mejorando la Precisión - Fase Portadora vs código
Las mediciones de seudorango
GNSS están basadas en datos
de código PRN
Las mediciones de
código tienen precisión
de unos cuantos
decímetros
Las mediciones de fase portadora
tienen precisión milimétrica sin embargo
contienen la ambigüedad de la fase
Una vez que ha sido resuelta la ambigüedad
en cada satélite, las mediciones de la fase
portadora entregan distancias precisas
Múltiple Frecuencia- Reduciendo los efectos de los errores ionosfericos
Los satélites transmiten en bandas de
múltiples frecuencias – por ejemplo, GPS L1,
L2 y L5
Las observaciones de fase portadora y
código de múltiples frecuencias ayudan a
corregir los errores ionosfericos y permiten
una rápida estimación de las ambigüedades
Modos RTK - Base Única
Estación base GNSS única (referencia)
establecida cerca del sitio de trabajo
rastrea todos los satélites a la vista
Los errores de satélite y
atmosféricos son casi idénticos
para estaciones de referencia y
móviles poco espaciadas
Las correcciones de la estación de
referencia son enviadas al móvil
vía liga de datos de radio UHF
Móvil GNSS aplica las correcciones a
los satélites entregadas por la estación
base para obtener resultados de nivel
centimetrico
Modos RTK- Estación de Referencia Virtual
Estaciones de referencia GNSS
establecidas en amplias regiones
geográficas (p.ej. ciudad, estado,
país) espaciamiento típico entre
estación de referencia 50-100km
Las estaciones de referencia
rastrean todos los satélites
GNSS satélites a la vista
El Servidor de la Plataforma Pivot procesa
los datos de estación de referencia y modela
los errores de satélite y atmosféricos en la
red
El servidor de la red genera una estación de
referencia virtual al lado del móvil y entrega
correcciones GNSS vía conexión Internet
inalámbrica
El móvil obtiene precisión de
nivel centimetrica dentro de
la región de cobertura
Internet
Solución Tradicional de la Ambigüedad
Las ambigüedades de Fase son cantidades enteras
Se tienen que resolver las ambigüedades para ganar
la mayor exactitud del GNSS
Primero se estiman las ambigüedades como
números de punto flotante (de valor real) (de ahí la
solución flotante)
Se usan mediciones de código no ambiguas
Se busca el juego de enteros mas probablemente
correcto 0 +1 +2 +3-1-2-3
Solución Tradicional de la Ambigüedad
Dirección
del Satelite2
Dirección
del Satelite1
Dirección
del Satelite3 Frente de
onda para
Satélite 2
Frente de
onda para
Satélite 3
Frente de
onda para
Satélite 1
Ubicaciones de
candidatos a enteros
Candidato a
entero correcto
Solución Tradicional de la Ambigüedad El buscador de enteros elige un juego de ambigüedades ignorando
todos los otros (con la información aun disponible en el espacio de
búsqueda)
El fijado incorrecto lleva a una posición incorrecta con informes de
precisión inherentemente bajas
‘La búsqueda repetida’ puede detectar un fijado incorrecto, pero es
solo un parche
La precisión de la solución Flotante es inútil para la topografía
Err
or
Po
sic
ión
[m
]
Time
Solución Flotante
Solución Fijada Correctamente
Solución Fijada Incorrectamente
Solución Tradicional de la Ambigüedad
Los términos ‘flotante’ y ‘fijo’ no caben en el
vernáculo del controlador de campo –
nosotros solo queremos posiciones RTK con
precisiones de fiar
Basados en esta suposición solo había una
manera de resolver las ambigüedades de los
enteros
Presentando el HD-GNSS
HD-GNSS Principios Básicos
HD-GNSS combina nuevas técnicas estadísticas para procesar
los datos GNSS de fase portadora, incluyendo:
– Un método generalizado para lidiar con las ambigüedades en
los datos de fase portadora
– Usando toda la información dentro del espacio de búsqueda
para proveer una resolución de las ambigüedades
estadísticamente optima
– Generación rigurosa de las precisiones de la posición a
posteriori (dependiente del ambiente)
Inicialización se refiere a iniciando RTK basado en precisión
Las ambigüedades aun se resuelven, ahora vía una rápida
convergencia en vez de un cambio de ‘flotante’ a ‘fija’
HD-GNSS Principios BásicosSolución de las Ambigüedades en Una Dimensión (1D)
Distribución Probable de el
estimado de Solución-Flotante
(Gaussiana asumida)
Estim
ado d
e la a
mbig
üedad f
lota
nte
La Ambigüedad Mas-Probable es
la mas cercana a el estimado de
la ambigüedad flotante
Dirección del
Satélite
Fre
nte
s d
e O
nda
(Candid
ato
s a
Ente
ros)
0 +1 +2 +3-1-2-3-4 +4-5
Todos los candidatos a
enteros que caen dentro de
los limites de la solución
flotante son considerados en
la solución HD-GNSS
Estim
ad
o d
e la
Am
big
üe
da
d F
lota
nte
De
svia
da
HD-GNSS Básicos Solución Flotante con Desviación 1D
Fre
nte
s d
e O
nda
(Candid
ato
s a
la
Am
big
üedad d
el E
nte
ro)
Dirección del
Satélite0 +1 +2 +3-1-2-3-4-5 +4
El Candidato a Ambigüedad
del Entero correcto tiene Pocas
Probabilidades basado en la
Solución-Flotante Desviada
¡No se Debe descartar!
Mejor solución del entero
basada en el acercamiento
tradicional a la resolución de la
ambigüedad
Gran desviación de
Solución -Flotante
La Desviación y
Probabilidad de cada
candidato entero se
considera en la
conformación de la
solución HD-GNSS
Se requiere de una solución
sobre-determinada para poder
valorar la calidad de cada
candidato a ambigüedad del
entero
Las precisiones reportadas
por la solución HD-GNSS
encapsulan la distribución
de los candidatos a entero
Dirección de
Satélite 2
Frente de
Onda para
Sat 2
Dirección de
Satélite 3
Frente de
Onda para
Sat 3
Dirección de
Satélite 1
Frente de
Onda para
Sat 1
HD-GNSS Básicos Valorando la calidad del candidato al entero (2D)
La calidad de cada candidato a
entero se puede obtener con un
numero de satélites sobre-
determinado
HD-GNSSLevantamientos Basados en la Precisión
Las precisiones reportadas se refieren a un nivel de
confianza particular (1-sigma, 68 percentil)
Las Precisiones HD-GNSS están en función de:
– Geometría Satelital (PDOP)
– El ambiente (el multi-camino primordialmente )
– Una rápida convergencia – sin necesidad de
esperar al ‘fijo’
Este
NorteElipse de Error 2D
Este
Norte
Arriba
Elipse de Error 3D
HD-GNSSLevantamientos Basados en la Precisión
El HD-GNSS entrega convergencia sin-costuras a el mismo nivel
de precisión ‘fijo’ tradicional – ¡rápido!
El cambio de ‘flotante’ a ‘fijo’ se ha ido (¡y estos términos
también en el Trimble Access!)
Un ambiente pobre simplemente reporta menor precisión
Err
or
en
Po
sic
ión
[m]
Time
Solución Flotante
Solución Fijada Incorrectamente
Solución
HD-GNSS
Solución Fijada
Correctamente
“Atorado en Flotante”
HD-GNSSEjemplo de una ventaja de posicionamiento, 11km
Solución HD-GNSS
Solución Flotante
Solución HD-GNSS producida
en donde una solución
convencional fija no esta
disponible
44 seg
Error Vertical
xFillConceptos de la Red RTX
Trimble ha establecido una red
mundial de receptores GNSS de
rastreo ~ 100 estaciones
Datos GNSS de la red de estaciones de rastreo son
procesados en un centro de control RTX central
(servidor) para producir orbitas y tiempos satelitales
centimetricos
RTX – Orbitas y
Relojes de
Satélite
Servicio de Extensión xFill
Centro de
Control RTX
RTX Satélite de
Banda L
Corrección de Estación
de Referencia Virtual
(VRS)
Móvil R10
Corrección de
Estación de
Referencia Física
Cobertura de Banda-L, Nov. 2012
Un total de 6 señales satelitales
Servicio de Extensión xFill Fundamentos de su operación en campo
Hay veces que las correcciones
de referencia GNSS se pierden
(perdidas de Radio o señal
celular)
El posicionamiento del Móvil se
suspende al rato de que la
corrección de referencia GNSS
es interrumpida
La tecnología Trimble RTX
entrega a los usuarios datos de
orbita y relojes GNSS muy
precisos vía banda-LEl xFill ayuda a mantener el
posicionamiento preciso del
móvil mientras las
correcciones GNSS normales
están bloqueadas
Errores GNSS
en el móvil
Diferenciando los Errores
Es el método usual cuando el caudal primario esta
disponible
Los errores comunes en una base / móvil se
cancelan
Los flujos de errores VRS son similares en el móvil
usando interpolación – aparece como una línea-base
corta
Errores GNSS en la
estación de referencia /
VRS
Errores residuales en la
diferencia GNSS
Modelando los Errores
El Móvil debe de operar autónomamente
El servicio RTX provee datos de relojes y orbita
satelitales
Los errores modelados son removidos en el móvil
Los efectos atmosféricos locales son estimados
Errores GNSS
en el móvil
Errores GNSS
modelados en el
caudal RTX
Algoritmos
atmosféricos GNSS
usados en xFill
Errores
residuales en xFill
SBL/VRS Position SBL/VRS PositionxFill
xFill usando el caudal de banda-L RTX
Señal de Radio o Modem Celular no disponible
Corrección de
Estación de
Referencia Física
Satélite de
banda-L RTX
Consideraciones de Campo
El xFill inicia transparentemente sin convergencia
Efecto de la perdida del caudal de banda-L RTX
– xFill continua por 20-seg antes de parar
– Resume sin retraso si la perdida fue < 5-minutos
Efecto de la perdida de satélites GNSS
– Caída a 3 satélites, requiere de reinicio con liga de radio y 5
satélites para re-inicializar
– Las precisiones son afectadas por la geometría satelital
(PDOP)
– Un PDOP pobre puede suspender el xFill
La duración de xFill dependen de los parámetros de precisión
fijados
Duración de 5-minutos con la versión actual
Ejemplo de Posicionamiento xFill
Ejemplo de Posicionamiento xFill
Constelaciones GNSS
La Tecnología de Recepción Trimble 360
soporta señales desde las constelaciones:
GPS, GLONASS, QZSS, GALILEO,
COMPASS; Con 440 canales GNSS
Es probable que veamos
en orbita 90 satélites para;
120+ satélites para 2020
Estado Actual de la Constelación GNSS
Sistema Origen Actual Futuro
GPS USA 31 Satélites;
28 Satélites con L1, L2
2 Satélites con L1, L2, L5
Triple Frecuencia disponible ~
2017;
GPS III ~ 2020
GLONASS Rusia 24 Satélites;
FDMA, L1 & L2
Señales CDMA por añadirse en
los nuevos satélites de serie K (tal
vez compatibles con el GPS
modernizado)
QZSS Japón 1 Satélite;
Señal GPS Modernizada L1, L2,
L5 + LEX
Planeados 2 mas lanzamientos de
satélites
GALILEO EU 6 Satélites de Validación;
E1, E5A, E5B, E6
(E1 compatible con GPS L1C)
Constelación completa (30
satélites) ~ 2020
COMPASS China 15 Satélites; (5 GEO; 5 MEO; 5
GEO Inclinados)
Las señales del Mensaje de
Navegación B1, B2, B3 no son
publicadas aun
Cobertura Mundial (35 satélites)
~ 2020
Trimble 360Beneficios en el rendimiento RTK
Las señales satelitales adicionales proveen:
– Mediciones precisas de código (AltBOC, etc.)
– Triple-frecuencia GNSS
– Tiempos de convergencia HD-GNSS mejorados
– Extensión en el rango de operación desde una
única estación de referencia
– Y la siempre mejorada exactitudMulticamino no correlacionado desde tantas señales
– ¡El futuro es muy brillante!
Resumen
El Sistema de Topografía R10 define la
siguiente época en mas de 30 años de
desarrollo de productos de alta precisión
RTK de Trimble
El HD-GNSS fija una nueva marca en la
industria para el rendimiento y la tecnología
RTK
El xFill crea un puente transparente para las
interrupciones de flujos de corrección (SBL o
Red)
¡Gracias por su
atención!
¿Preguntas?
