Dominar la precisión: Correcciones diferenciales de DGPS a PPK

En un escenario cotidiano, la precisión del Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS) autónomo es más que suficiente para ayudar a alguien a encontrar su camino, pero muchas aplicaciones requieren una mayor precisión. Se han desarrollado muchas tecnologías para mejorar la precisión del GNSS hasta 1 cm, lo que permite una amplia gama de nuevas aplicaciones.

Lograr tal precisión exige prestar atención al marco de referencia utilizado para los cálculos y los resultados de posicionamiento, un tema tratado en Geodesia y Transformaciones de Datum, que queda fuera del alcance de este artículo.

 

Correcciones GNSS

La mejora de la precisión del GNSS depende de la corrección de varios errores descritos en nuestro artículo anterior, Dominar la precisión: El GNSS y sus fuentes de error.

Hay muchos tipos de correcciones que ofrecen distintos niveles de cobertura y rendimiento. Las principales se detallan en la siguiente tabla. En este artículo, trataremos los aspectos básicos de las correcciones más habituales: una breve explicación del DGNSS, seguida de explicaciones en profundidad del SBAS y el RTK; y describiremos las ventajas del PPK.

El próximo artículo de este series analizará con más detalle la Ionoshield y la APP con más detalle.

GNSS diferencial (DGNSS)

El DGNSS tradicional basado en códigos parte de un supuesto sencillo: se supone que los erroresdel satélite y los errores atmosféricos locales son los mismos en zonas pequeñas. Un par de receptores GPS puede utilizarse para anular tanto los errores atmosféricos (ionosféricos y troposféricos) como los del satélite, mejorando así el rendimiento de la navegación.

En este modo de funcionamiento, se instala un receptor GNSS de estación base a unos pocos kilómetros del alcance operativo del receptor GNSS del rover. La estación base transmite un conjunto de correcciones al receptor del vehículo mediante un módem de radiofrecuencia o GSM. El receptor del vehículo puede utilizar estas correcciones para calcular una posición diferencial (relativa a la estación base).

Esta técnica puede mejorar la precisión de la navegación hasta el nivel submétrico, pero ahora está obsoleta, ya que RTK se ha convertido en el estándar para el posicionamiento de alta precisión.

 

SBAS (Sistema de aumento basado en satélites)

El SBAS se desarrolló para permitir la navegación segura de aeronaves civiles. Desde entonces se ha utilizado para muchas otras aplicaciones de usuario final que requieren mayor precisión que un receptor GNSS autónomo.

 

El concepto de SBAS consiste en utilizar una red de estaciones de referencia para calcular correcciones que puedan mejorar el rendimiento del GPS en una zona amplia (cobertura continental).

Estas correcciones son transmitidas por satélites geoestacionarios SBAS. Los receptores GNSS modernos pueden rastrear estas correcciones directamente a través de su antena GNSS normal y utilizarlas en su motor de posicionamiento, como , SBAS que ofrece una precisión de 1 metro.

El objetivo principal de todas las constelaciones SBAS no es alcanzar la máxima precisión, sino permitir que el GNSS alcance una precisión mínima para la aplicación prevista (navegación y aterrizaje de aeronaves) con un concepto añadido de integridad (medición precisa del error de posición).

 

 

Los SBAS que se utilizan actualmente son:

• WAAS para los países de América del Norte
• EGNOS para Europa
• GAGAN para la India
• MSAS para Japón

Sin embargo, la mayoría de los SBAS actuales sólo proporcionan correcciones para la constelación GPS, por lo que no son óptimos para la navegación terrestre. Las futuras soluciones SBAS (por ejemplo, EGNOS V2) proporcionarán correcciones multiconstelación.

 

Tecnología SBAS

Las distintas soluciones SBAS utilizan la misma tecnología subyacente para proporcionar correcciones. Proporcionan correcciones para:

• Errores del reloj del satélite
• Desviaciones de la órbita de los satélites
• Errores atmosféricos

El SBAS también proporciona información sobre la integridad de los satélites, que puede utilizarse para rechazar datos procedentes de satélites que funcionen mal.

Las correcciones atmosféricas también se calculan utilizando la red de estaciones base para proporcionar un patrón de los errores atmosféricos. El valor de error transferido corresponde al retardo vertical introducido por la atmósfera en unos puntos determinados denominados IGP (Ionospheric Grid Points). El receptor puede entonces corregir el retardo para las diferentes señales de cada satélite.

 

Utilizando la información proporcionada por el SBAS, el receptor puede corregir los errores en la medición basada en la pseudorange, mejorando la precisión de la posición hasta aproximadamente 1,2 m RMS horizontal y 1,6 m RMS vertical. Se trata de una mejora significativa con respecto al GNSS autónomo, especialmente para el componente vertical.

 

Cinemática en tiempo real (RTK) y cinemática postprocesada (PPK)

La tecnología RTK se introdujo por primera vez para aplicaciones de cartografía a mediados de la década de 1990. Al igual que el tradicional Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (DGPS), el RTK se basa en una estación base y receptores GNSS móviles situados con precisión.

Dos pasos de cálculo clave permiten un posicionamiento con precisión centimétrica:

• Doble diferencia
• Medición de la fase portadora y fijación de ambigüedades

 

Doble diferencia

Por lo general, DGPS sólo utiliza mediciones de diferencia simple y de código. Por otro lado, RTK añade mediciones de fase y utiliza un enfoque de "doble diferencia". En este método, las mediciones de la base se restan de las mediciones del rover, y todas las mediciones del satélite de navegación se restan de un satélite pivote.

Este enfoque puede compensar todos los errores inducidos por el satélite, los errores inducidos por el receptor, así como los errores atmosféricos que se suponen constantes en las proximidades de la estación base.

 

 

De este cálculo obtenemos:

• La posición del rover (latitud/longitud/altitud) en el datum de la estación base.
• La hora del rover

La distancia entre la estación base y el rover se denomina línea de base y es un factor clave en RTK. A medida que aumenta la línea de base, el margen de error aumenta ligeramente porque los errores atmosféricos comunes y los errores comunes de la órbita del satélite no se cancelan completamente. Este es el típico "+1ppm" que aparece en las especificaciones de precisión de la posición RTK.

 

Medición de la fase portadora y fijación de ambigüedades

La medición de la fase portadora, introducida en nuestro artículo anterior, es necesaria para reducir los errores al nivel centimétrico.

El problema de las mediciones de fase portadora es que son intrínsecamente ambiguas (o incompletas). En la medición falta un número entero de ciclos de fase portadora. Esta parte que falta también se conoce como "ambigüedad".

El proceso de posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK) comienza estimando estas ambigüedades. Este proceso también se conoce como modo "RTK flotante". En este modo, las ambigüedades convergen lentamente pero no son valores enteros. Esto permite al receptor suavizar la posición y alcanzar una precisión de aproximadamente un decímetro.

Para lograr la máxima precisión y solidez, el siguiente paso consiste en identificar el valor entero de cada una de estas ambigüedades en tiempo real. Este proceso se denomina resolución de ambigüedades enteras.

El resultado de la resolución de ambigüedades maximiza la precisión RTK y proporciona una mayor robustez. Esto se conoce comúnmente como modo "RTK Fijo".

Si se interrumpe el seguimiento de fase a un satélite en particular, se produce un evento de "deslizamiento de ciclo" y la ambigüedad de enteros para ese satélite debe resolverse de nuevo. Por esta razón, demasiados deslizamientos de ciclo (y especialmente deslizamientos de ciclo en todos los satélites al mismo tiempo) tienen un efecto negativo en el rendimiento RTK. Una buena antena y colocación de la antena y un entorno de RF limpio son esenciales para limitar estos eventos.

 

Postprocesamiento de la cinemática

Como hemos visto, RTK es la aplicación de estas correcciones "en tiempo real", lo que significa que el rover debe tener una conexión de enlace de datos con la estación base para calcular el procesamiento RTK sobre el terreno.

Algunas aplicaciones no necesitan la trayectoria en tiempo real, pero podrían beneficiarse de una mayor precisión, o de una configuración más sencilla. El postprocesado cinemático (PPK) puede satisfacer esas necesidades. Con PPK, el vehículo recoge sus propios datos GNSS sin procesar durante la recogida de datos sin recibir correcciones en tiempo real. Posteriormente, estos datos se postprocesan utilizando información precisa de una estación base o de una red de estaciones de referencia.

El PPK permite una mayor flexibilidad en la recogida de datos porque no depende de correcciones en tiempo real. Suele utilizarse en escenarios en los que la comunicación en tiempo real es difícil o innecesaria, como la cartografía aérea, los drones cartografía o la investigación científica.

PPK ofrece las siguientes ventajas clave a la hora de procesar GNSS:

• Mejora del flujo de trabajo sobre el terreno: Uno de los principales costes de una misión basada en RTK es garantizar la proximidad de una estación base, instalarla si es necesario, garantizar una conexión de datos fiable, etc. Qinertia cuenta con un gran número de redes CORS integradas y acceso directo a redes de terceros. Esto elimina la complejidad de garantizar la disponibilidad de una base y establecer una conexión de datos fiable.
• Mejora del control de calidad: Muchos indicadores de calidad ayudan a evaluar el rendimiento real de un procesamiento. Entre ellos se incluyen estadísticas avanzadas, separación (diferencia entre la posición/actitud calculada durante el procesamiento hacia delante y hacia atrás), así como indicadores de señales GNSS.
• Mejora general del rendimiento: La resolución de ambigüedades RTK puede llevar cierto tiempo (de unos segundos a unos minutos, dependiendo de la distancia a la estación base y de las condiciones atmosféricas). Esto puede ser significativo al inicio de una adquisición o en condiciones GNSS difíciles. PPK mitiga estos efectos procesando en ambas direcciones, hacia delante y hacia atrás, para maximizar la tasa de fijación. El rendimiento también puede mejorarse utilizando algoritmos más avanzados o efemérides de satélite precisas.