Sistemas de Posicionamiento por Satélite: Sistema Navstar GPS - UNIVERSIDAD DE OVIEDO
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Sistemas de Posicionamiento por Satélite:
Sistema Navstar GPS
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Un poco de historia
La utilización de satélites para el posicionamiento (navegación, aeronáutica)
se inicia con el comienzo de la era espacial (años 50).
Se observo que las señales de radio procedentes de un transmisor situado en
el primer satélite tripulado (Sputnik-1, 1957) presentaba un fuerte cambio de
frecuencia (efecto Doppler).
Existen varios sistemas de posicionamiento por satélite, algunos en desuso y
otros en estado incipiente:
US Navy Navegation Satellite System (Transit)
Navstar GPS (EEUU)
Tsicada (Antigua URSS)
Glonass (antigua URSS)
Starfix (John Chance inc)
Galileo (futuro GPS europeo para el 2008 ??)
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Un poco de teoría básica sobre satélites artificiales (I)
- Las orbitas están contenidas en planos. El plano de la órbita se define
mediante en ángulo de inclinación. Es el ángulo existente entre el plano de
la órbita y el plano ecuatorial, medido desde la zona este del plano
ecuatorial.
N Inclinación 90º
Órbita polar
Inclinación 45º
E
W
Inclinación cero
(Orbita ecuatorial)
S
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Un poco de teoría básica sobre satélites artificiales (II)
- La inclinación deseada para la órbita define el lugar de lanzamiento. En la
práctica es difícil conseguir inclinaciones inferiores a la latitud del lugar de
lanzamiento.
- Para conseguir inclinaciones cero, lo mas adecuado es realizar el
lanzamiento desde algún punto del ecuador terrestre.
- Es posible ahorrar combustible (y peso) utilizando la velocidad rotacional
de la tierra para acelerar el cohete. Se lanza el mismo hacia el este.
- La velocidad de escape hacia el este en el ecuador es de 6.89 Km/s
mientras que para el oeste es de 7.82 Km/s.
- En general las velocidades necesarias varían con la latitud y con la
dirección de lanzamiento.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Un poco de teoría básica sobre satélites artificiales (III)
- Los satélites situados en orbitas de inclinación cero y con periodo 24
horas se llaman geoestacionarios. Su posición relativa con respecto a la
tierra es siempre la misma.
- Los satélites situados en orbitas de inclinación 90º se llaman polares.
Satélites Polares
Satélites Geoestacionarios
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Un poco de teoría básica sobre satélites artificiales (IV)
Leyes de Kepler
Kepler definió en el siglo XVI las leyes que rigen las orbitas planetarias.
Aplicadas a satélites artificiales se reducen a:
1.- Las órbitas de los satélites son elípticas. La tierra esta situada en uno
de sus focos.
2.- El área barrida por el vector de posición del satélite con origen en la
tierra es proporcional al tiempo.
3.- El cuadrado del periodo de la órbita es proporcional al cubo de su
altitud media sobre la superficie de la tierra.
4.- En la mayoría de los casos la órbita es prácticamente circular, y la elipse
se debe a que la tierra no es una esfera perfecta.
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Un poco de teoría básica sobre satélites artificiales (V)
Definiciones
Perigeo: Punto de la orbita mas próximo a la tierra.
Apogeo: Punto de la órbita mas alejado de la tierra.
Apogeo
Perigeo
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUn poco de teoría básica sobre satélites artificiales (VI)
Elevación: Angulo formado entre el vector de posición del satélite con
origen en el observador y la tangente a la superficie de la tierra.
Máxima elevación
45º elevación
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUn poco de teoría básica sobre satélites artificiales (VII)
Admitiendo órbitas circulares las Leyes de Kepler pueden simplificarse.
Velocidad orbital
- El satélite sólo permanecerá en la órbita si su velocidad es suficiente para
que la fuerza centrifuga supere a la atracción gravitatoria.
- Además la velocidad debe de ser inferior a la velocidad de escape de la
atracción terrestre.
- La velocidad nominal de una órbita es:
K
V Km s 1 Ejemplos
Ra a = 200 Km V = 7.77 Km/s
a = 1075 Km V = 7.3 Km/s
a = altitud de la órbita sobre la superficie en Km
R = radio medio terrestre, 6371 Km
K = constante 630
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUn poco de teoría básica sobre satélites artificiales (VIII)
Las trayectorias orbitales pueden representarse empleando la proyección
Mercator (Cartas náuticas).
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUn poco de teoría básica sobre satélites artificiales (IX)
Periodo orbital
Es el tiempo que tarda el satélite en recorrer su órbita. Suele medirse en
minutos.
3
Ra 2
T K min
R
a = altitud de la órbita sobre la superficie en Km
R = radio medio terrestre, 6371 Km
K = constante 84.49
Ejemplos
a = 200 Km T = 88.45 minutos
a = 1075 Km T = 106.8 minutos
T = 24 horas = 1440 minutos a ≈36.000 Km (órbita geoestacionaria)
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesSistema Navstar GPS
Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System
• El sistema GPS fue puesto en marcha por el departamento de
defensa de EEUU en 1973.
• Los satélites del sistema GPS proporcionan señales que permiten
calcular la posición (10 m militar y 100 m civil), velocidad (0.1
m/s) y tiempo (0.01 µS) en el receptor.
• Un receptor GPS emplea simultáneamente las señales de 4 satélites
para calcular su posición (X, Y, Z) y la hora
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesBloque Espacial del Sistema Navstar GPS
• El bloque espacial consiste en 24 satélites que completan una
órbita cada 12h.
• Los satélites repiten diariamente la misma traza en tierra (se
adelantan 4 minutos cada día).
• Existen 6 planos orbitales igualmente espaciados (60º) y con una
inclinación de 55º respecto al plano ecuatorial.
• Dentro de cada plano orbital (6 órbitas) hay nominalmente 4
satélites con una elevación mínima de 9.5º desde cualquier punto
de la tierra y en cualquier instante
• Esta constelación proporciona entre 5 y 8 satélites visibles desde
cualquier lugar de la tierra y a cualquier hora
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesConstelación GPS
Altitud media:
11.000 millas
20.200 Km
Son orbitas elevadas para no verse afectadas por la gravedad de la tierra
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesTrazas en tierra de los satélites UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Bloque de Control
• El bloque de control consiste en cinco estaciones terrestres situadas
alrededor del mundo
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades• La estación central de control se encuentra situada en la base aérea
de Schriever en EEUU.
• Las estaciones monitoras reciben las señales de los satélites y
calculan la órbita exacta. Los errores existentes en la información
orbital de cada satélite (ephemeris data) son calculados y la
información corregida es enviada a cada satélite.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesBloque de Usuario
• El bloque de usuario está compuesto por receptores GPS. Empleando
las señales de cuatro satélites un receptor GPS puede calcular la
posición en el espacio tridimensional (X, Y, Z) y el tiempo (UTC).
• La aplicación principal del sistema GPS es la navegación en tres
dimensiones (X, Y, Z).
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesServicios de Posicionamiento GPS
Precise Positioning Service (PPS)
• Aplicaciones militares: uso restringido a usuarios autorizados por el
gobierno de EEUU con equipos que dispongan de llaves criptográficas
especiales
• Precisión del sistema PPS:
22 metros de precisión horizontal
27,7 metros de precisión vertical
100 nanosegundos de precisión en el cálculo del tiempo
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesStandard Positioning Service (SPS)
• Uso civil: de uso general sin restricciones ni coste adicional
•
• Precisión inferior al sistema PPS:
100 metros de precisión horizontal
156 metros de precisión vertical
340 nanosegundos de precisión en el cálculo del tiempo
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesSeñales de los Satélites GPS
Los satélites GPS transmiten dos señales de microondas:
–Señal L1(1575,42 MHz): transmite la señal de navegación y el
código SPS
–Señal L2 (1227,6 MHz): empleada para compensar las variaciones
producidas por cambios en las condiciones de propagación en la
ionosfera en receptores PPS
Dentro de las señales L1 y L2 se transmiten 3 códigos binarios:
–Código C/A (Coarse Acquisition)
–Código P (Precise)
–Mensaje de navegación (Navigation Message)
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCódigo C/A
• Es la base del sistema de posicionamiento para uso civil SPS.
• El código C/A es una secuencia pseudo aleatoria de 1.023 bits
(PRN Pseudo-Random Noise) que se repite cada milisegundo y
que modula la señal L1 expandiendo su espectro en una banda
de 1MHz.
• El código C/A es diferente para cada satélite
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCódigo P
• El código P es una secuencia pseudo aleatoria (PRN Pseudo-Random
Noise) que se transmite a 10 Mbps y que se repite cada 10 dias
(!!!)
• El código P modula las señales L1 y L2
• En el modo de operación anti-interferencias (Anti-Spoofing) el código
P se transforma en el código Y mediante técnicas especiales de
encriptación
• El código P (Y) es la base del sistema preciso de posicionamiento
PPS
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesMensaje de Navegación
El mensaje de navegación modula el código de la señal L1-C/A.
El mensaje de navegación se transmite a 50 bps y contiene información
acerca de la órbita del satélite, correcciones de reloj y otros parámetros
del sistema.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesDatos del Mensaje de Navegación (I)
•El mensaje de navegación esta organizado en tramas y subtramas.
Una trama consiste en 1500 bits organizados en 5 subtramas de 300
bits de 6 segundos de duración. Las tramas se transmiten cada 30
segundos.
•Las tres primeras subtramas contienen las correcciones horarias e
información precisa de la órbita del satélite (ephemeris data
parameters).
•Las restantes subtramas se emplean para transmitir información del
sistema.
•El mensaje de navegación está compuesto por un total de 25 tramas y
tiene una duración total de 12,5 minutos.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesDatos del Mensaje de Navegación (II) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Datos del Mensaje de Navegación (III)
• Las efemérides del satélite (Ephemeris data parameters) describen la
órbita del satélite con gran precisión para un intervalo corto de tiempo.
Normalmente, el receptor actualiza los datos de la órbita cada hora.
Pero se pueden utilizar los datos durante cuatro horas con un error
pequeño.
• Los almanaques (Almanac data parameters) contienen información
aproximada de la órbita de todos los satélites GPS. Describen la órbita
para intervalos largos de tiempo (meses en algunos casos). El tiempo
de puesta en marcha de un receptor GPS puede reducirse empleando la
información de los almanaques. De esta forma se puede dar una
posición inicial aproximada del receptor y estimar el corrimiento
Doppler de la frecuencia de las señales de cada satélite.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesDatos del Mensaje de Navegación (IV)
Ejemplo del formato de datos de almanaque:
ALMANAC FOR SATELLITE 1 :
PRN number for data ............. 1
Health of SV .................... 0
Reference Week of Almanac ....... 797
Eccentricity .................... 0.00346661
Corr: inclination angle (rad) ... 0.00388718
Mean Anomaly @ ref time (rad) ... 2.79387
Argument of Perigee (rad) ....... -1.31888
Rate right ascension (rad/sec) .. -8.01176E-09
Right ascension @ ref time (rad) -0.296182
Sqrt semi-major axis (m^1/2) .... 5153.58
Clock correction term 1 ......... 0.000148773
Clock correction term 2 ......... 7.63976E-11
Reference time almanac .......... 466944
Semi-Major Axis (meters) ........ 2.65594E+07
Corrected Mean Motion (rad/sec) . 0.000145862
Inclination angle (rad) ......... 0.95469
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesDatos del Mensaje de Navegación (y V)
• Cada mensaje de satélite incluye un modelo de la ionosfera que
permite calcular de forma aproximada el desfase introducido
por la ionosfera en cualquier momento y ubicación.
• Cada satélite envía el retardo que tiene su reloj respecto a la
UTC. Esta información puede ser empleada para fijar la hora del
receptor de acuerdo a la UTC con un error de 100 ns.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCálculo de Posición y Tiempo
•Supongamos que inicialmente la posición del
satélite es conocida y que el reloj del
receptor y el satélite están sincronizados.
•Si el satélite emite una señal y el receptor la
recibe después de un tiempo t, la distancia
recorrida por la señal es c·t.
•Si el receptor se encuentra en la superficie
de la tierra, la intersección entre una esfera
centrada en el satélite de radio c·t y la
esfera terrestre es un círculo que contiene la
posición del receptor.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades• Empleando un segundo satélite se obtiene otro círculo que corta al
del primer satélite en dos puntos. Uno de estos puntos es la posición
del receptor. La distancia entre los dos puntos de intersección suele
ser muy grande por lo que no existe ambigüedad.
• Aparentemente se puede calcular la latitud y longitud (2 incógnitas)
empleando únicamente las señales de dos satélites. Sin embargo
existe una incógnita más que es el error en el reloj del receptor. Por
lo que se precisan 3 satélites para calcular la posición del receptor.
• Si la altura del receptor es otra incógnita (uso terrestre o navegación
aérea) es preciso emplear un total de 4 satélites.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesPara calcular la posición del receptor se deben de resolver tres problemas:
• Conocer la hora exacta en que el satélite envía el mensaje.
• Conocer la hora exacta en la que llega el mensaje al receptor.
• Determinar el error que tiene el reloj del receptor respecto al de los
satélites.
Un error en la medida de tiempo de 0,1s se
traduce en un error en la posición de:
3·108 · 0,1·10-6 = 30m !!!
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesRelojes
• Las estaciones de control y los satélites están equipados de relojes
atómicos con una estabilidad extremadamente alta. Varían no más
de 2·10-13 Hz/día.
• El tiempo medido por las estaciones de control y los satélites se
denomina tiempo GPS y coincide básicamente con el tiempo
universal coordinado UTC. Actualmente, el tiempo GPS está
adelantado 13 segundos respecto al UTC.
• El receptor GPS debe conocer el error de su reloj respecto al tiempo
GPS con una precisión del orden de 0,01 s.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesDistancia entre receptor y satélite
Tiempo de viaje
tu + t b i a s - t s v •El satélite transmite la señal
en el instante tSV
t=0 t s v
tSV t ( tie m p o G P S )
•El usuario recibe la señal en
el instante tU (reloj del
receptor)
t
t=0 •Si el reloj del receptor
u
t t t ( r e lo j r e c e p to r )
estuviese sincronizado con el
tiempo GPS la distancia
b ia s u
tu + tb i a s
recorrida sería: c·(tU-tSV)
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades• El tiempo total que viaja la señal es:
tu + tbias - tsv
y la distancia recorrida total es:
c·(tu + tbias - tsv) = c·(tu - tsv) + c·tbias
• En la fórmula anterior c y tbias son prácticamente constantes. La
medida: c·(tu - tsv) se denomina pseudo-medida o pseudo-rango. Es
necesario corregirla sumando la distancia c·tbias para corregir el error
entre los relojes del satélite y del usuario.
• El reloj del satélite no sigue exactamente la hora GPS sino que
también se adelanta o atrasa un valor tsv. Este valor es determinado
por las estaciones de control y transmitido a los satélites que lo
almacenan en memoria para transmitirlo posteriormente a los
usuarios.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCálculo de las coordenadas del receptor
•La distancia entre emisor y
receptor se calcula en función
XSV,YSV,ZSV de sus coordenadas:
X1 X U 2 Y1 YU 2 Z1 ZU 2
XU,YU,ZU
•Por lo que se debe cumplir:
c·t u t sv t bias X1 X U 2 Y1 YU 2 Z1 ZU 2
•Son incógnitas:
XU, YU, ZU, tbias
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades•Empleando cuatro satélites se tienen cuatro ecuaciones:
c2 ·t u t sv t bias X1 X U Y1 YU Z1 ZU
2 2 2 2
c2 ·t u t sv t bias X 2 X U Y2 YU Z2 ZU
2 2 2 2
c2 ·t u t sv t bias X3 X U Y3 YU Z3 ZU
2 2 2 2
c2 ·t u t sv t bias X 4 X U Y4 YU Z4 ZU
2 2 2 2
Que permiten el cálculo de la posición y del error del reloj del receptor
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCálculo de la latitud, longitud y altura del receptor
La latitud, longitud y altura del receptor son calculadas empleando un
geoide ( el WGS-84 ) como modelo de la tierra.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesAutocorrelación (I)
• Para la determinación del tiempo exacto de llegada de los mensajes de
los satélites al receptor se utiliza una técnica especial denominada
AUTOCORRELACIÓN
• Cada receptor produce réplicas de los códigos C/A (y/o P). Estos
códigos presentan una apariencia aleatoria pero están formados por
una secuencia única para cada satélite y que se repite cada cierto
tiempo (se pueden producir hasta 32 secuencias PRN distintas).
•
• El receptor desliza en el tiempo la réplica del código PRN hasta que
coincide con la señal que recibe del satélite.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesAutocorrelación (II) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Autocorrelación (III) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Autocorrelación (y IV)
• Si el receptor emplea una secuencia PRN distinta a la del
satélite no hay correlación.
• El deslizamiento que se ha necesitado para conseguir la
correlación completa entre el código PRN recibido y el de
referencia del receptor permite calcular el tiempo de
llegada del mensaje o TOA (Time of Arrival).
• La estimación de la distancia entre receptor y satélite
obtenida de esta medida se conoce como pseudo-rango.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCálculo de la Velocidad del Receptor
• Se mide el deslizamiento Doppler de la frecuencia portadora.
• De la información disponible de la órbita el receptor puede calcular el
vector velocidad del satélite.
• Este vector se puede descomponer en dos componentes:
-En la dirección del usuario (cuya posición debe ser conocida)
-En una dirección perpendicular (esta componente no presenta efecto
Doppler)
• El computador del receptor compara la primera componente con la
medida del corrimiento Doppler. Si ambas no son iguales es debido a la
velocidad del usuario en dirección al satélite.
• Empleando las señales de cuatro satélites el receptor puede calcular su
velocidad en el espacio tridimensional y el error en la frecuencia
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesFuentes de Error en el Sistema GPS
Existen tres fuentes básicas de error en el sistema GPS:
Ruido + Deriva (bias) + Anomalías en el sistema (blunders)
•El ruido introduce errores en la estimación de la posición de
alrededor de 2m
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades• Los errores de deriva son debidos a la disponibilidad selectiva y a
otros factores
Disponibilidad selectiva (Selective Availability SA)
- La SA es una degradación intencionada de las señales SPS que
introduce una deriva que varía con el tiempo. La SA es controlada por
el Departamento de Defensa de EEUU para limitar la precisión de los
sistemas de uso civil. La precisión potencial del código C/A es
reducida de 30 m hasta 100 m.
- La deriva introducida por la SA es diferente para cada satélite y varía
a muy baja frecuencia (pocas horas) con lo que no puede ser
promediada en tiempos inferiores a varias horas.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesOtros factores que afectan a la deriva
- Errores en el reloj de los satélites pueden producir errores de 1m
- Errores en la información de la órbita del satélite (ephemeris): 1m
- Retardos de propagación introducidos en la troposfera: 1m
- Retardos no modelados introducidos por la ionosfera:10m.
- El modelo de ionosfera empleado en el sistema GPS permite eliminar
la mitad del error posible de 70ns dejando un error residual de 10m.
- Reflexiones en las superficies situadas en las proximidades del receptor
pueden suponer errores de hasta 0,5m.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades• Anomalías en el sistema (blunders)
-Errores en el bloque de control debidos a fallos humanos o en las
computadoras pueden dar lugar a errores desde 1m a centenares
de kilómetros.
-Errores del usuario, incluyendo la selección errónea del modelo de
geoide, pueden causar errores desde 1m hasta cientos de metros.
-Errores del hardware o el software del receptor pueden causar
errores de cualquier magnitud.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesEfectos de la disposición relativa de satélites y receptor
La precisión de la medida obtenida depende también de la disposición
relativa de los satélites respecto al receptor. La estimación de la posición
del receptor se calcula mediante la intersección de cuatro esferas
centradas en los satélites.
La precisión es máxima cuando las esferas se intersectan
perpendicularmente y disminuye cuanto menor es el ángulo en el punto
de intersección.
El parámetro empleado para estimar este efecto es el GDOP (Geometric
Dilution Of Precision).
A mayor GDOP menor es la precisión de la medida.
GDOP se puede descomponer en cuatro componentes interdependientes:
PDOP = Position Dilution of Precision (o DOP esférico)
HDOP = Horizontal DOP
VDOP = Vertical DOP
TDOP = Time DOP
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGDOP elevado GDOP bajo UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
El GPS con Corrección Diferencial
•El sistema GPS diferencial se basa en la corrección de los errores de
deriva del receptor empleando el error medido en un receptor de
referencia cuya posición es conocida.
•El receptor de referencia calcula las correcciones necesarias para las
señales de cada satélite. Estas correcciones son pasadas al receptor
remoto que debe de ser capaz de aplicarlas individualmente a las
medidas de distancia obtenidas para cada satélite (pseudo-rango).
•No se puede corregir el error del receptor restando directamente el
error medido por la estación de referencia. Para ello sería necesario
que ambos receptores empleasen los mismos satélites con la misma
disposición relativa (igual GDOP). Es decir, que estuviesen
prácticamente en la misma posición.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades•Diferentes estaciones alrededor del mundo transmiten por radio
correcciones diferenciales en tiempo real (Hoy se usan los satélites
WAAS)
•La frecuencia de actualización de las correcciones debe ser lo bastante
rápida como para eliminar los efectos de la SA (típicamente 20seg.)
Se consiguen precisiones de centímetros
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesWAAS una mejora del sistema GPS UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
WAAS una mejora del sistema GPS UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Detalle de una antena GPS UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Uso del GPS en náutica
- Obviamente el uso principal es obtener la posición en tiempo real y la
hora actualizada (Longitud, latitud y UTC)
- Aunque hoy día el GPS va asociado a un programa informático
(Software) y a una cartografía (Mapa en formato digital).
- Las opciones son variadas y por supuesto transcienden al mundo de la
náutica.
Algunos ejemplos son:
La empresa GARMIN tiene soluciones para aeronáutica, náutica
y automoción: Programa (MAPSOURCE) y cartografía náutica
(BLUECHART)
En automoción: "TOM TOM navigator" es hoy muy popular
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesCartas náuticas en formatos estándar (algunos ejemplos) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Un ejemplo de carta náutica vectorial (Mapsource - Bluechart de la empresa GARMIN) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Programas para trabajar con cartas digitalizadas
Mapa de papel digitalizado
Por ejemplo el programa Oziexplorer
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUso del GPS en náutica
El GPS puede suele asociado a otros muchos equipos en náutica:
- Asociado a radio balizas (SART)
- Asociado a los equipos de comunicaciones (DSC)
- Puede permitir la compensación del compas magnético y de la corredera
- Puede utilizarse como complemento de la corredera para calcular intensidad y
dirección de corrientes marinas.
(Ejemplo: Con máquinas paradas se mediriá el efecto de la corriente)
- Puede utilizarse para simular el efecto del radar (sistema AIS) enviando por
VHF la posición en la que nos encontramos (y otros datos de navegación)
- Existen relojes de pulsera con GPS (p.e. CASIO)
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesInterconexión de un equipo GPS UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Estándar NMEA (National Marine Electronics Association) NMEA is a standard protocol, use by GPS receivers to transmit data. NMEA output is EIA-422A but for most purposes you can consider it RS-232 compatible. Use 4800 bps, 8 data bits, no parity and one stop bit ( 8N1 ). NMEA 0183 sentences are all ASCII. Each sentence begins with a dollarsign ($) and ends with a carriage return linefeed (). Data is comma delimited. All commas must be included as they act as markers. Some GPS do not send some of the fields. A checksum is optionally added (in a few cases it is mandatory). UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
Un ejemplo de mensaje NMEA 0183
Los primeros
caracteres
dicen el tipo
de mensaje Va separado por comas (,)
Siempre
empieza Siempre acaba con * y el Checksum
con $
1
$GPGGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh
GGA = Global Positioning System Fix Data
1 = UTC of Position
2 = Latitude
3 = N or S
4 = Longitude
5 = E or W
6 = GPS quality indicator (0=invalid; 1=GPS fix; 2=Diff. GPS fix)
7 = Number of satellites in use [not those in view]
8 = Horizontal dilution of position
9 = Antenna altitude above/below mean sea level (geoid)
10 = Meters (Antenna height unit)
11 = Geoidal separation (Diff. between WGS-84 earth ellipsoid and mean sea level. -=geoid is below
WGS-84 ellipsoid)
12 = Meters (Units of geoidal separation)
13 = Age in seconds since last update from diff. reference station
14 = Diff. reference station ID#
15 = Checksum
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUn nuevo estandar NMEA esta llegando
A NMEA 2000® is a combined electrical and data specification for a marine data network for
communication between marine electronic devices such as depth finders, chartplotters,
navigation instruments, engines, tank level sensors, and GPS receivers.
It has been defined by, and is controlled by, the US based National Marine Electronics
Association .
NMEA 2000® connects devices using CAN(Controller Area Network) technology.
NMEA 2000® is based on the SAE J1939 high-level protocol, but defines its own messages.
NMEA 2000® devices and J1939 devices can be made to co-exist on the same physical
network.
NMEA 2000® can be considered a successor to the NMEA 0183 standard.
It has a significantly higher data rate (250k bits/second vs. 4.8k bits/second for NMEA 0183).
It also uses a compact binary message format as opposed to the ASCII serial communications
protocol used by NMEA 0183.
Another distinction between the two protocols is that NMEA 2000® is a multiple-talker,
multiple-listener data network whereas NMEA 0183 is a single-talker, multiple-listener serial
communications protocol.
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesUn nuevo estándar NMEA esta llegando (NMEA 2000) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
GPS con piloto automático
Vista lateral
Vista superior
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS con piloto automático (estrategias del fabricante FURUNO) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-Secades
GPS en náutica
En las siguientes notas, se introducen algunos términos habituales en
náutica asociados al mundo del GPS.
No obstante, cada equipo GPS, empleará tu terminología e incorporará su
propias prestaciones.
Es un mundo en continua evolución, en el cual es difícil dar recetas de
carácter general
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesNomenclatura según GPS de KODEN KGP-931D
Nota:
GPS en náutica (I) ROUTES y WAYPOINTS
pueden almacenarse en el
WAYPOINT GPS.
(Algunas veces MARK)
Muchas opciones del GPS
están ligadas con estos 2
Posición elementos.
Track Actual GOTO WAYPOINT (Ir hacia)
TRACK BACK (volver por el
mismo camino)
Route
Summit = Cumbre
Wreck = Naufragio
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (II)
Nota:
Para tomar el origen,
(CMG) normalmente se considera
desde que se arrancó el GPS
Course Made Good o existe una opción de puesta
a cero (por ejemplo CLR)
Posición
N Actual
Origen D
(VMG)
Velocity Made Good
"Distancia desde el origen dividido entre el tiempo transcurrido"
D
VMG
t
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (III)
Desviación de rumbo
Rumbo al waypoint (CDI - Course desviation angle)
(STG - Steering or Bearing to
waypoint)
N
Desviación de la ruta prevista Rumbo actual
(XTE - Cross track error) (Heading)
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (IV)
DIST
Distance to the next
waypoint
(Algunas veces RANGE)
T.DIST
Total distance to final
destination
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (V)
TTG
Time to go to
the next
waypoint
TTTG
Total time to go to the final
destination
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (VI)
PROX
ANCW Proximity alarm
Anchor watch alarm
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (VII)
BDY
Boundary alarm or XTE alarm
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesGPS en náutica (VIII)
¡Hombre al Agua!
Man Overboard!
UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico-SecadesReferencias y bibliografía:
•Global Positioning System Overview, Peter H. Dana, En la dirección:
http://wwwhost.cc.utexas.edu/ftp/pub/grg/gcraft/notes/gps/gps.html
•Standard Positioning Service Signal Specification, 2nd Edition, Junio de
1995, US Coast Guard Navigation Center, En internet:
http://www.navcen.uscg.mil/
•Understanding GPS Principles and Applications, Elliott D. Kaplan, Artech
House Publishers
•Fabricantes de sistemas GPS (GARMIN, FURUNO, KODEN, etc)
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