En este primer artículo de nuestra series"Dominio de la precisión", exploraremos los Sistemas Mundiales de Navegación por Satélite (GNSS) y sus precisiones autónomas teniendo en cuenta los GNSS y sus fuentes de error
¿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 determina la posición y la hora de un receptor mediante trilateración, utilizando señales de varios satélites.
Para calcular una posición, el sistema debe resolver cuatro variables: latitud, longitud, altitud y hora. Este proceso requiere al menos cuatro satélites, aunque los satélites adicionales mejoran la precisión y la fiabilidad.
La siguiente imagen ilustra cómo funciona la trilateración. Cada satélite define una esfera a su alrededor, que representa las posibles distancias al receptor.
Un segundo satélite reduce las posibles soluciones a la intersección de estas dos esferas. Un tercer satélite afina aún más la solución, permitiendo al sistema señalar una única ubicación. En aplicaciones reales, el sistema también debe tener en cuenta el tiempo, lo que requiere un cuarto satélite.
Señal emitida 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: Cada satélite transmite un código único de ruido pseudoaleatorio (PRN), una secuencia determinista de alta frecuencia de 0s y 1s diseñada con un patrón predecible para que el receptor pueda replicarlo. 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, conocida como Acceso Múltiple por División de Código (CDMA), asigna a cada satélite un código pseudoaleatorio único. Sólo Glonass utiliza FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia), en el que cada satélite tiene una frecuencia ligeramente distinta.
- 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 entre el satélite y el receptor con una precisión submétrica. Sin embargo, la onda portadora, inicialmente destinada a la transmisión del código PRN, resultó ser una valiosa baza.
La medición de la fase portadora, aunque más precisa, introdujo ambigüedad en la determinación de la distancia entre el satélite y el receptor. A continuación se presenta un análisis más detallado de 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 medición es dos órdenes de magnitud más precisa que el código, pero un número entero constante desconocido 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 precisión inicial del GPS para el público en general (no militar) rondaba los 100 m. Tras varios años de evolución (eliminación de la disponibilidad selectiva, despliegue de nuevas constelaciones y sistemas SBAS, nuevos satélites y nuevas frecuencias), la precisión del GNSS autónomo oscila actualmente entre 5 m para los receptores GNSS básicos y 1 m para los de gama alta.
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 mayor actividad ionosférica). El retardo ionosférico varía en función de la actividad solar, la hora del 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 | 5m |
Relojero | 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 insturmental | Receptor | 1-10 m |
Desplazamiento del reloj | Receptor | 0-300 km |
Para garantizar una navegación óptima, el sistema debe tener en cuenta estos errores, mitigarlos mediante un modelo de error específico o estimarlos a través del filtro de navegación.
El cálculo de la posición también debe tener en cuenta muchos otros términos de error que no se enumeran en este artículo, como los efectos de las mareas y los efectos relativistas.
Diversas fuentes de error influyen en el rendimiento de la tecnología GNSS, que proporciona un posicionamiento, una navegación y una temporización de gran precisión.
Factores como los retrasos atmosféricos, los errores del reloj del satélite y de las efemérides, las interferencias multitrayecto y el ruido del receptor pueden degradar la precisión. Aunque las modernas técnicas de corrección (GNSS diferencial, RTK y PPP) ayudan a mitigar los GNSS y sus fuentes de error, comprender sus orígenes sigue siendo esencial para optimizar el rendimiento de los GNSS.
A medida que sigan evolucionando los avances en el procesamiento de señales, la fusión de sensores y el aprendizaje automático, los sistemas GNSS serán aún más robustos, lo que garantizará una mayor fiabilidad en diversas aplicaciones.