Dominar la precisión: El GNSS y sus fuentes de error

10 de marzo de 2024

En este primer artículo de nuestro "Dominio de la precisión" series, exploraremos los Sistemas Mundiales de Navegación por Satélite (GNSS) y sus precisiones autónomas teniendo en cuenta los distintos errores.

 

¿Qué es un sistema GNSS?

 

Los sistemas de posicionamiento por satélite, como el GPS, se han convertido en omnipresentes, guiándonos en nuestros viajes en coche y nuestras caminatas. También desempeñan un papel fundamental en aplicaciones tan diversas como los vehículos autónomos, la agricultura y cartografía.

Sin embargo, es importante pasar del término "GPS" al más inclusivo "GNSS" (Sistema Global de Navegación por Satélite), que engloba todas las constelaciones de satélites más allá del GPS.

Hay cuatro constelaciones mundiales de satélites en funcionamiento (GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU). Además, hay constelaciones suplementarias que sirven a regiones locales, como el IRNSS de la India, o complementan a las globales, como el QZSS de Japón.

Además de los satélites, un sistema GNSS consta de otros segmentos esenciales:

  • El segmento de satélites, que comprende la constelación de satélites.
  • El segmento de control, compuesto por estaciones y equipos de control en tierra. Se encargan de supervisar las constelaciones, determinar la posición de los satélites y garantizar su funcionamiento continuo y correcto.
  • El segmento usuario, que incluye los equipos utilizados para calcular una posición basada en las señales recibidas de los satélites.

 

Principio fundamental del GNSS: la trilateración

El GNSS funciona mediante trilateración, en la que se utilizan señales de varios satélites para determinar la posición y la hora del receptor. Para determinar una posición, hay que resolver cuatro variables: latitud, longitud, altitud y tiempo.

Por lo tanto, se requiere un mínimo de cuatro satélites; aunque un mayor número de satélites aumenta la precisión y la fiabilidad.

La siguiente imagen muestra cómo funciona la trilateración. La distancia entre satélites puede verse como una esfera alrededor del satélite.

La posición del receptor se encuentra en algún punto de estas esferas. Un segundo satélite puede reducir las posibles soluciones a la intersección de estas dos esferas.

El tercer satélite permite encontrar una única solución a la ecuación. En una aplicación real, también hay que evaluar el tiempo, lo que requiere un cuarto satélite.

 

Señales emitidas por los satélites

Los satélites GNSS transmiten señales a través de varias bandas de frecuencia como L1, L2, L5, entre otras. Las señales GNSS tienen tres componentes básicos:

  • Datos de navegación (baja frecuencia): calculados por el segmento de control, estos datos incluyen información esencial como datos de efemérides (parámetros orbitales keplerianos necesarios para calcular las posiciones de los satélites), datos de corrección del reloj e información complementaria. Se cargan en el satélite y se difunden globalmente a los receptores GNSS.
  • Código de ruido pseudoaleatorio o código PRN (alta frecuencia): secuencia determinista de 0s y 1s diseñada con un patrón predecible para poder ser replicada por el receptor. Cada satélite tiene un código PRN único. La principal ventaja de añadir el código PRN es que permite a varios satélites transmitir señales en la misma frecuencia simultáneamente y ser reconocibles por el receptor. Esta técnica se denomina CDMA (Acceso Múltiple por División de Código), y cada satélite posee su propio código pseudoaleatorio único. Sólo Glonass utiliza FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia), en el que cada satélite tiene una frecuencia ligeramente diferente.
  • Onda portadora RF: una señal sinusoidal diseñada originalmente para transportar la señal combinada de datos de navegación y el código PRN. Más adelante veremos cómo este componente evoluciona hasta convertirse en la base de la señal GNSS, permitiendo una precisión de posicionamiento a nivel centimétrico.

 

Medición de la distancia al satélite: código y fase portadora

Originalmente, el sistema GPS se diseñó para que el receptor utilizara una réplica de código PRN y técnicas de autocorrelación para calcular el alcance del satélite al receptor con una precisión submétrica.

Sin embargo, la onda portadora, inicialmente destinada a la transmisión de códigos PRN, resultó ser una valiosa baza.

La medición de la fase portadora, aunque más precisa, introduce ambigüedad en la determinación de la distancia entre el satélite y el receptor. A continuación se analizan ambas mediciones.

 

Cálculo del alcance satélite-receptor con código PRN

El receptor GNSS utiliza un proceso denominado "bucle de enganche de retardo" para determinar el tiempo de retardo entre el código transmitido y el código recibido. Este retardo, que corresponde al tiempo de propagación de la señal, se convierte en distancia multiplicándolo por la velocidad de la luz.

Sin embargo, debido a la falta de sincronización de los relojes del receptor y del satélite, la distancia resultante se denomina pseudorrango. Además del error de sincronización del reloj, la pseudodistancia se ve afectada por otros errores relacionados con el entorno de propagación (atmósfera, hardware, etc.), que se analizarán más adelante en el artículo.

 

Mejora del alcance satélite-receptor: Medición de la fase portadora

La distancia entre el satélite y el receptor también puede determinarse contando el número de ciclos de fase transcurridos entre la emisión y la recepción de la señal y multiplicándolo por la longitud de onda de la portadora.

Esta medida es dos órdenes de magnitud más precisa que el código, pero un número entero desconocido constante de ciclos (también conocido como ambigüedad) afecta a su precisión absoluta.

Para determinar la evolución precisa de la fase portadora, el receptor GNSS acumula los desplazamientos de frecuencia Doppler en la onda portadora, causados por el movimiento relativo del satélite al receptor.

En caso de interrupción de la señal, este proceso de acumulación no puede dar cuenta del movimiento real y pueden observarse saltos bruscos en la medición, también conocidos como "desviaciones de ciclo".

El manejo correcto de los desvíos de ciclo y la ambigüedad son aspectos desafiantes y clave de las técnicas de posicionamiento preciso, como la cinemática en tiempo real (RTK) y el posicionamiento de puntos precisos (PPP).

El siguiente diagrama muestra la onda portadora de la señal, el código y sus respectivas resoluciones.

Fuentes de error en el GNSS

La dirección inicial público en general (no militar) del GPS era de unos 100 metros. Tras los múltiples años de evolucións (eliminación de la availability, despliegue de nuevas constelacioness y sistemas SBASnuevos satélites y nuevas frecuencias,) la precisión de autónomo GNSS está ahora entre 5m para receptores GNSS de nivel básico, hasta 1 m para los dede gama alta.

La precisión del posicionamiento GNSS se ve influida por las diversas fuentes de errores que se acumulan:

 

Errores de los satélites

  • Errores de reloj: Aunque los relojes atómicos de los satélites GNSS son muy precisos, experimentan pequeñas desviaciones. Por desgracia, incluso una ligera desviación en el reloj del satélite puede provocar una discrepancia sustancial en la posición calculada por el receptor. Por ejemplo, sólo 10 nanosegundos de error en el reloj se traducen en un error de posición de 3 metros en la medición del alcance.
  • Errores de órbita: Aunque los satélites GNSS siguen órbitas muy precisas y bien documentadas, estas órbitas sufren pequeñas variaciones, similares a las de los relojes de los satélites. Al igual que las imprecisiones de los relojes, incluso un ligero cambio en la órbita del satélite puede causar un error significativo en la posición calculada. Los errores residuales en la órbita persisten, contribuyendo a errores potenciales de posición de hasta ±2,5 metros.

 

Errores atmosféricos

  • Retraso ionosférico: Situada entre 50 y 1.000 km por encima de la Tierra, la ionosfera contiene iones cargados que afectan a la transmisión de las señales de radio, provocando errores de posición (normalmente ±5 metros, más durante una actividad ionosférica elevada). El retardo ionosférico varía en función de la actividad solar, el día, la estación y la ubicación, lo que dificulta las predicciones.
  • Retraso troposférico: La capa atmosférica más cercana a la Tierra, la troposfera, experimenta variaciones en el retardo debido a cambios en la humedad, la temperatura y la presión atmosférica.

 

Errores del receptor

  • El reloj interno del receptor , menos preciso que el reloj atómico del satélite, junto con otros errores de hardware y software, añaden ruido y sesgo a las mediciones.
Retraso Origen Magnitud
Error de posición Satélite 5 m
Desplazamiento del reloj Satélite 0-300 km
Retraso instrumental Satélite 1-10 m
Efecto relativista Satélite 10 m
Retraso ionosférico Trayectoria (50-1000 km) 2-50 m
Retraso troposférico Sendero (0-12 km) 2-10 m
Retraso instrumental Receptor 1-10 m
Desplazamiento del reloj Receptor 0-300 km

 

Estos errores deben tenerse en cuenta, mitigarse mediante un modelo de error específico o ser estimados por el filtro de navegación para garantizar una navegación óptima.

Muchos otros términos de error no se enumeran en este artículo, como los efectos de marea o los efectos relativistas, y también deben tenerse en cuenta durante el cálculo de la posición.

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