• Save
Navegacion por Satelite
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Navegacion por Satelite

on

  • 5,822 views

Transparencias de José Caro Ramón

Transparencias de José Caro Ramón

Statistics

Views

Total Views
5,822
Views on SlideShare
5,435
Embed Views
387

Actions

Likes
7
Downloads
0
Comments
1

4 Embeds 387

http://www.viernescientificos.org 295
http://www.ual.es 74
http://www.slideshare.net 17
http://www.viernescientificos.org. 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Navegacion por Satelite Navegacion por Satelite Presentation Transcript

  • NAVEGACIÓN POR SATÉLITE Fundamentos, retos y aplicaciones José Caro Jefe de División de Sistemas Avanzados (GNSS) GMV 19 de Febrero de 2010
  • GMV
        • Grupo tecnológico de capital privado que proporciona valor añadido con soluciones avanzadas
        • Central en España con oficinas en EE.UU., Portugal, Polonia, Alemania, Corea y Malasia
        • Proporcionamos soluciones en los sectores: espacio, aeronáutica, banca, tecnologías de la información, defensa, seguridad, salud, administración pública, telecomunicaciones y transporte.
        • Facturación en 2008: 90 M€
        • Más de 1000 empleados (más del 85% con titulación superior)
        • La cartera de clientes de GMV incluye organizaciones de 18 países en todo el globo:
          • European Space Agency (ESA)
          • NASA
          • European Commission
          • EADS-CASA
          • REPSOL
          • Star One (Brazil)
          • Nylesat (Egypt)
          • ...
        • Clave en EGNOS y Galileo
        • www.gmv.com
    Feb. 2010 Pag. Navegación por Satélite
  • Contenidos
    • Fundamentos
    • Aplicaciones
    • Retos
    • Conclusiones
    Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • PART E I FUNDAMENTOS Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Navegación según la Enciclopedia Británica:
        • La ciencia de dirigir una embarcación determinando su posición, curso, y distancia recorrida.
        • Medida de la posición: clave para la navegación
      • Historia de la Navegación
        • Latitud:
          • Utilización de sol y estrellas: desde la antigüedad
          • Desde el astrolabios (griegos) hasta el sextante (XVIII)
        • Utilización de sondas
        • Brújula (¿desde el siglo IX?)
        • Navegación por estima
          • Log, chip log (corredera)
        • Longitud: un serio problema
          • Distancia lunar (XVIII)
          • Cronómetros (finales XVIII)
    Introducción histórica a la navegación Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Un conjunto de satélites (constelación) con:
        • Relojes muy precisos (atómicos)
        • Órbita conocida
      • Envían señales a la Tierra:
        • Momento de envío de la señal
        • Posición de los satélites (efemérides)
      • El receptor del usuario recibe las señales
      • El receptor mide el tiempo de vuelo de la señal
        • Se transforma en (pseudo)-distancia
      • El receptor estima su posición
        • Entradas:
          • (pseudo-)distancias con al menos cuatro satélites
          • posición de los satélites
        • Salidas:
          • Posición del receptor (altura, latitud, longitud)
          • Error de reloj
    Idea simplificada de GPS Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite First atomic clock (1949) US National Bureau of Standards Sat 2 Sat 1 Sat 3 Usuario
      • NAVASTAR GPS
        • 1973: Defensa de EE.UU. toma la decisión de desarrollar el sistema
        • 1978: Se lanza el primer satélite
        • 1980-1982: Se cuestiona su utilidad
        • 1983: URSS derriba avión de línea; se permite el uso civil de GPS
        • 1990-1991: Guerra de Irak; se desactiva temporalmente la SA
        • 1993: Operaciones iniciales; se anuncia uso libre y gratuito.
        • 1994: 24 satélites en órbita
        • 1995: Capacidad operacional
        • 2000: Se elimina la SA. Errores de 100 a 10 m.
      • NAVSTAR: Navigation System for Timing and Ranging
      • GPS: Global Positioning System
      • SA: Selective Availability (Disponibilidad Selectiva)
    Historia GPS Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • GNSS: Global Navigation Satellite System
      • GLONASS (URSS, ahora Rusia)
        • Mientras GPS se encontraba en desarrollo, la Unión Soviética emprendió el desarrollo de GLONASS, la constelación de 24 satélites transmitió señales en 1996 y desde entonces fue decayendo para empezar a resurgir en los últimos años.
      • Galileo (UE)
        • El 1999 la Unión Europea decidió el desarrollo del Sistema Galileo, el primero civil, y que comenzará a operar entre el 2012 y el 2018
      • Beidou (China)
        • China lanzo dos satélites en el año 2000 como parte de sus sistema de navegación experimental Beidou
      • Otros
        • Los sistemas de navegación por satélite no solo se circunscriben al ámbito terrestre sino que existen estudios para ser desplegados en otros planetas como por ejemplo Marte.
    Otros Sistemas de Navegación Global Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Tres Segmentos
        • Segmento de control
          • Estación de Control Maestra y reemplazo
          • Cuatro antenas de comunicaciones y telemetría
          • Seis estaciones de seguimientos
        • Segmento espacial : 24 satélites mín
        • Segmento de usuarios : receptores
    Sistema GPS Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • Flujo de información entre segmentos Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Segmento de control Segmento de usuarios Segmento espacial
      • Funciones
        • Monitorizar el estado de los satélites
          • Datos de telemetría
          • Señal transmitida
          • Estabilidad orbital y de reloj
        • Prepara mensaje de navegación
          • Determinación de la órbita
          • Determinación de error de sincronización del reloj maestro con respecto a la referencia de tiempo GPS
          • Preparar información auxiliar (coeficientes de actividad ionosférica, etc.)
        • Transmitir la información de navegación y de control al satélite
        • Iniciar y controlar maniobras orbitales
        • Ajustar el reloj principal o cambiar de reloj
        • Proporcionar información a los usuarios
          • Actualización de la constelación
          • Falta de disponibilidad de satélites
    Segmento de Control Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Constelación
        • Nominalmente 24 satélites
        • Normalmente unos 28 activos
      • Órbita
        • 6 planos orbitales
        • Inclinación 55 grados
        • Excentricidad < 0.02
        • Semieje mayor: 26 000 km
        • Periodo: 11:58 (medio día sidéreo)
      • Cobertura
        • Global
        • 4 satélites visibles desde cualquier lugar del globo
    Segmento espacial Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Todos nosotros
        • Variedad de receptores: portátiles, geodésicos, embarcados
        • Variedad de procesado: geodesia, ciencia, navegación
        • Variedad de aplicaciones: limitado por la imaginación
      • ¡El éxito de GPS ha desbordado todas las previsiones!
    Segmento de usuarios Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Frecuencias
        • L1: 1575.42 MHz
        • L2: 1227.60 MHz
      • Códigos
        • C/A(t): Coarse/Acquisition
        • P(Y)(t): Precision Code
        • D(t): Mensaje de Navegación
      • Modernización de GPS
        • Nueva frecuencia: L5 1176.45 MHz
        • Nuevos códigos: L1C, L2C, M-code
    Señales Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Repetición completa cada 12.5 minutos
        • 50 bits por segundo
        • Información de efemérides (órbita) y reloj: 30 segundos
      • Estructura
        • 25 tramas (cada trama1500 bits, 30 segundos)
        • 5 subtramas por trama (300 bits, 6 segundos)
      • Contenido
        • Instante de transmisión
        • Posición del satélite
        • Salud
        • Corrección de reloj del satélite
        • Retrasos ionosféricos de propagación
        • Offset con UTC
        • Estado de la constelación
    El mensaje de navegación: introducción Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Corrección de reloj:
        • Clock Issue of Data (IODC)
        • Tiempo de referencia de la corrección (t oc )
        • Corrección del reloj del satélite a tiempo GPS
          • a f0 (offset)
          • a f1 (drift)
          • a f2 (drift rate)
        • Group Delay Differential (T gd )
    El mensaje de navegación: reloj Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Efemérides del satélite
        • Ephemeris Issue of Data (IODE)
        • Elementos orbitales en WGS-84
          • Tiempo de referencia (t oe )
          • Corrección al movimiento medio
          • Excentricidad
          • Semieje mayor
          • Inclinación (y derivada)
          • Argumento del perigeo
          • Anomalía media en el tiempo de referencia
          • Longitud del Nodo Ascendente (y derivada)
          • Correcciones harmónicas (seno/coseno)
            • Al argumento de la latitud, radio orbital y a la inclinación
    El mensaje de navegación: efemérides Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • Sistema de Referencia Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite World Geodetic System WGS-84
      • Elipsoide WGS-84
        • Semieje mayor a = 6378137km
        • Factor de aplanamiento f = 1/298.257223563
        • Velocidad angular de giro w = 7.292115 10 -5 rad/s
        • Gravitación-Masa Tierra GM = 3.986004418 10 14 m 3 /s 2
      • No confundir con geoide (equipotencial gravitatorio)
      • Compatible con ITRF2000
      • PRN
        • Pseudo Random Number
        • Código pseudoaleatorio que permite compartir la banda de frecuencia
        • Multiplicación de polinomios primitivos
        • Cada satélite usa un PRN propio.
        • Códigos ortogonales
          • Con otros PRNs
          • Con ellos mismos sin sincronización
        • El receptor extrae una señal generando el código PRN correspondiente y correlando temporalmente
    PRN: generación Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Correlación de un PRN consigo mismo frente al offset de sincronización
    PRN: correlación Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • El receptor de usuario Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Pseudo-distancia:
        • Diferencia entre el tiempo de recepción de la señal (reloj local del receptor) y el tiempo de emisión (reloj local de satélite)
        • Medida absoluta
        • Sujeta a múltiples errores que hay que corregir
        • Disponible en C/A, P1 o P2
      • Fase de la portadora
        • Diferencia entre la fase de la portadora generada en el receptor y la recibida del satélite
        • Precisa a nivel milimétrico
        • Sujeta a ambigüedad de número de longitudes de onda completas (19 cm)
        • Disponible para L1 y L2
      • Doppler
        • Diferencia de frecuencias de las señales recibida y generada.
        • Representa la velocidad relativa entre satélite y receptor
        • Disponible para L1 y L2
    Observables Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • Ecuación de medida de pseudo-distancia
        •  : distancia geométrica entre satélite y receptor (entre antenas)
        • , con x i la posición 3D del receptor y x j la del satélite
        • b: corrección de sincronización de los relojes de satélite y receptor con respecto a tiempo UTC
        • rel: corrección relativista
        • T: retraso troposférico
        • I: retraso ionosférico
        • M: multipath
        •  : error del receptor (ruido)
      • Conocido: x j , b j , rel i j , T i j , I i j
      • Incógnitas: x i , b i
      • Error de medida:
    Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • Pseudo-distancia: representación gráfica Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • Error de medida y error geométrico (DOP) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite 2) Efecto de la geometría DOP 1) Efecto del error en la medida Indeterminación en la distancia Diferente efecto según la geometría DOP: Dilution Of Precision
      • Linealización de la ecuación de medida respecto a una posición y reloj inicial
        • u i j : vector unitario de receptor de usuario (i) al satélite (j)
    Proceso de determinación de la posición Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Estimación del refinamiento de la posición por mínimos cuadrados
      • Refinamiento con nueva linealización del proceso esta vez en x 1
    Proceso de determinación de la posición Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • PART E II APLICACIONES Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Transporte
    Aplicaciones (1) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Navegación personal Transporte por carretera Navegación marítima y fluvial Aviación Sistemas de ayuda a la explotación
      • Explotaciones agropecuarias
    Aplicaciones (2) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Agricultura de precisión Pesca Seguimiento y control de calidad Pastoreo electrónico
      • Aplicaciones profesionales
    Aplicaciones (3) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Topografía Red eléctrica Explotaciones petrolíferas Comunicaciones
      • Emergencias, salud pública
    Aplicaciones (4) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Epidemiología Violencia de género Soporte a invidentes Cartografía para emergencias Búsqueda y rescate caninas
      • Ocio
    Aplicaciones (5) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Posicionamiento en fotografía Cadie GPS Caza Turismo Juegos con posición real
      • Seguridad
    Aplicaciones (6) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Alejamiento Libertad vigilada Rastreo de sospechosos Rastreo de artículos robados Soporte al despliegue policial
      • Ciencia
    Aplicaciones (7) Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite Estudios ionosféricos Tectónica de placas Estudios troposféricos Observación de la Tierra con GNSS reflejado Vida salvaje Sincronización radiotelescopios
  • PART E III RETOS Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Aviación: seguridad ante todo
        • Integridad de la información con tasas de riesgo de 10 -7
      • Programas SBAS (Satellite Based Aviation System)
        • Se definen para territorios concretos (e.g., Europa occidental)
        • Monitorización de GPS y envío de información via satélite GEO
        • En Europa EGNOS, pendiente de certificación.
        • En EE.UU. WAAS, ya certificado.
        • Permiten realizar aproximaciones precisas para aterrizaje sin infraestructura de tierra
          • Definición de aproximaciones curvas ahorrando combustible.
          • Abandono de trayectorias sobre núcleos poblados.
        • Problemas en zonas cercanas al ecuador por la actividad de la ionosfera.
        • Definición de procedimientos de vuelo para usar los nuevos sistemas.
    Retos: Aumentacion para aviación Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • La ionosfera puede introducir problemas en GNSS
        • Comportamiento extremo durante los máximos de actividad solar.
        • Actividad solar: ciclos de 11 años (aprox).
        • Próximo máximo solar: 2012-2013(?)
        • Introduce grandes errores e incluso pérdidas de disponibilidad en el ecuador geomagnético durante los máximos solares.
        • Las tormentas solares degradarán las prestaciones a nivel global.
        • El comportamiento del ciclo solar no es perfectamente conocido.
        • Reto: Hacer equipos y procesado robusto frente al comportamiento de la ionosfera.
    Retos: Efectos ionosféricos Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Posicionamiento GPS autónomo con de 2-4 metros
      • Posicionamiento preciso (2-5 cm) require:
        • Equipos trabajando en régimen diferencial (estación de referencia próxima)
        • Medidas durante algunas horas en régimen estático.
      • Reto:
        • Conseguir posicionamiento preciso sin infraestructura incluso en régimen dinámico
        • Reto intermedio: extender la aplicabilidad y precisión de estaciones de referencia próxima a los centenares de km (actualmente van bien en decenas de km).
    Retos: Posicionamiento Preciso Autónomo Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Cañón urbano: pocos satélites y mala geometría
        • Nuevas constelaciones GNSS en los próximos años.
        • Alta sensibilidad de los receptores
          • Mejora el número de satélites
          • Pero incrementa las señales rebotadas (ver siguiente punto).
      • Problema importante con señales rebotadas
        • Especialmente con señales que no llegan por la línea directa de visión.
        • Pueden inducir grandes errores
          • Centenares de metros, o más.
        • No existen técnicas maduras para resolver este problema. Se exploran las siguientes técnicas:
          • Antenas de usuario con capacidades directivas
          • Hibridación con otros sensores (incerciales, ópticos, atmosféricos).
          • Técnicas de detección y exclusión por residuales.
          • Complemento con cartografía.
          • Combinación de varias técnicas.
    Retos: Prestaciones en entorno urbano Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • GNSS es absoluto pero no ubicuo
        • No funciona en edificios, y en algunas ocasiones tampoco entre edificios.
        • Se necesitaría poder posicionarse en interior, a ser posible sin desplegar infraestructura.
        • Algunas mejoras con técnicas de GPS Asitido (información de efemérides y de reloj via otras vías de comunicación):
          • Permiten mejorar el rendimiento del dispositivo de usuario.
          • Disminuyen el tiempo necesario para volver a capturar la señal de los satélites.
        • ¿Soluciones?
          • Combinación con otros sensores: inerciales, baroaltímetros.
          • Combinación con otros técnicas de posicionamiento, como WiFi.
          • Posicionamiento con infraestructura de móvil.
          • Mucha inversión en diferentes industrias para posicionarse en este sector.
    Retos: Posicionamiento ubicuo Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
      • Fundamentos de navegación por satélite
        • Satélites: órbita conocida y relojes muy precisos.
        • Pseudo-distancias y triangulación.
        • Mensajes de navegación con datos para el usuario
        • Proceso de posicionarse con la información recibida.
      • Aplicaciones de toda índole
        • Transporte, agricultura, profesionales, emergencias, ocio, seguridad, ciencia, etc.
      • Retos
        • Aumentación para aviación
        • Ionosfera
        • Posicionamiento preciso
        • Entorno urbano
        • Posicionamiento ubicuo
    CONCLUSIONES Feb. 2010 Pág Navegación por Satélite
  • GRACIAS José Caro Responsable de la División de Sistemas Avanzados (GNSS) Email: jcaro@gmv.com www.gmv.com