Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS

Perú, calidad que deja huella

Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS

José Samuel Ramirez HerreraLaboratorio de Longitud y Ángulo

19 de mayo de 2016

01. Y... ¿Qué es GNSS?



Sistema Global de Navegación por Satélite

Un Sistema Global de Navegación por Satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS)

es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el

posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra,

mar o aire.

Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto dado.



Comparativa de los GNSS


GPS GLONASS Galileo BeiDou BeiDou-1 NAVIC QZSS

Global

Positioning

System

Globalnaya

Navigatsionnaya

Sputnikovaya

Sistema

GalileoBeiDou Navigation

Satellite System

BeiDou Navigation

Satellite System

Navigation with

Indian

Constellation

Quasi-Zenith

Satellite System

Alcance Global Global Global Global Regional Regional Regional

País EUU Rusia Unión Europea China China India Japón

Satélites 32 28 30 35 35 7 4

Estado Operativo Operativo En desarrollo En desarrollo En desarrollo En desarrollo En desarrollo


Aplicaciones de los GNSS

Por la naturaleza del sistema, las aplicaciones prácticas de los GNSS son diversas, estas

incluyen:

• Navegación: automóviles, aeronaves, barcos y botes, maquinaria pesada, ciclismo,

deportes al aire libre, etc.

• Agrimensura y mapeo: agrimensura, cartografía, geología y geofísica, arqueología,

etc.

• Uso militar en municiones guiadas.

• Referencia en tiempo.

• Servicios de comunicación móviles.

• Servicios de localización en emergencias.

• Rastreo.

• Otros.



02. Pero... ¿Cómo saben donde estoy ubicado?



Operación de un GNSS

El principio de funcionamiento consiste en:

• El receptor GNSS recibe una señal del satélite y mide su distancia al mismo,

empleando el tiempo que la onda tarda en llegar, dado que la señal del satélite viaja a

velocidad conocida.

• Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de una

esfera con centro en el propio satélite y de radio igual a la distancia total hasta el

receptor.

• Son necesarios al menos cuatro satélites para calcular la intersección de las esferas y

obtener la posición puntual mediante el uso de la geometría.

• Solo harían falta tres satélites para la ubicación pero con el cuarto se eliminan los

errores de sincronismo de los relojes.



Operación de un GNSS



03. Y el control metrológico... ¿Cómo se realiza?



Problemática del Control Metrológico de Receptores GNSS

Debido a la versatilidad en las aplicaciones de los receptores GNSS, actualmente su uso se

ha vuelto cotidiano en diversos sectores, tales como:

• Minería, agrícola.

• Ingeniería civil, cartografía.

• Seguridad.

• Rastreo vehicular.

Sin embargo no se realiza un control metrológico de estos equipos, lo cual puede

conllevar a dudas sobre sus resultados, sobre todo cuando estos están vinculados a

controles fiscales (impuestos, multas, etc) o transacciones comerciales.

A nivel regional, los institutos nacionales de metrología también se encuentran en la

búsqueda de métodos estandarizados para su control.



03. ¿La solución?


¿ ?


Búsqueda de un Método de Calibración de Receptores GNSS

Existe una posible solución al problema del control metrológico de los receptores GNSS,

pero para ello se debe hacer un pequeño viaje…


República de China(Taiwan)


Calibración de Receptores GNSS

El National Measurement Laboratory (NML) de Taiwan, ha desarrollado un método de

calibración de receptores GNSS.

Este método se basa en la comparación contra un patrón el cual ha sido ubicado en una

estación fija GNSS.

Este método se encuentra publicado en el apéndice C del Acuerdo de Reconocimiento

Mutuo (MRA, Mutual Recognition Arrangement) del Comité Internacional de Pesos y

Medidas (CIPM, Comité international des poids et mesures). Es decir: tiene validez

internacional.



Capacidad de Medida y Calibración Para Receptores GNSS del NML (Aprobado el 11 de agosto de 2015)



Calibración de Receptores GNSS: Detalles del Método

Para llevar a cabo esta tarea se utiliza un Sistema de Medición GNSS compuesto de líneas

de base ultra cortas, cuyas bases de calibración tienen coordenadas referenciadas al ITRF

(International Terrestrial Reference Frame).

El sistema está ubicado en el techo de uno de los ambientes del NML. Allí existen dos

estaciones permanentes IGS (International GNSS Service) que operan de manera continua

y 05 soportes de calibración. La separación de las estaciones y los soportes es de 48 m. La

principal función del sistema de calibración GNSS es determinar las coordenadas ITRF.

Dado que los receptores GNSS utilizan una base de tiempo para determinar la posición

sobre la tierra, la frecuencia interna del patrón de trabajo GNSS es medida, y por ende

trazable a la unidad de tiempo.

La calibración se realiza colocando el equipo a calibrar en una de las bases y registrando

su medición por un lapso de 8 horas; luego se procede a reemplazar este equipo por un

patrón de trabajo y se mide al menos la misma cantidad de tiempo.



Sistema de Medición GNSS


OFICINAS

ESTACIONESPERMANENTES

IGS

2 m

2,4 m 2,4 m

2,6 m

4,5 m

Soporte para calibración


Sistema de Medición GNSS: Trazabilidad


Unidad del SI: segundo

Patrón de frecuencia de

Cesio

Valor de referencia del patrón de trabajo GNSS

Indicación del instrumento a

calibrar

Patrón internacional de tiempo

Se utiliza el tiempo de viaje de las señales entre los receptores y los satélites para determinar la posición geográfica

Se compara la indicación del instrumento a calibrar con la indicación del patrón de trabajo


Análisis de la Incertidumbre de la Estación Permanente


Componente Determinación

Repetibilidad de la MediciónSe obtiene data de 04 estaciones de rastreo del IGS durante 60 días. Se calculan las coordenadas 3D de la estación permanente y se analiza la desviación estándar en los ejes X, Y y Z

Centrado y Nivelado Se utiliza un equipo de centrado forzado con un error máximo de 0,5 mm

Frecuencia del Receptor GNSS El receptor GNSS es parte de la estación permanente y su frecuencia es trazable al patrón de tiempo.

Offset de la Antena El error del offset y variación de la antena es 0,1 mm luego de corrección

Órbita del SatéliteLa precisión de la órbita final del IGS es mejor a 5 cm y esta data se obtiene de la web del IGS. El error de la órbita del satélite para posicionamiento GNSS es alrededor de 0,003 x 10-6 x D, donde D es la distancia de la estación permanente a las estaciones de rastreo del IGS, alrededor de 2200 km .

Corrección por Retraso Atmosférico

El error es aproximadamente 0,002 x 10-6 x D, donde D es la distancia de la estación permanente a las estaciones de rastreo del IGS, alrededor de 2200 km.

Coordenadas de la Estación GNSS

La repetibilidad de las coordenadas de las estaciones de rastreo del IGS son como máximo 6 mm.


Análisis de la Incertidumbre de la Red de Distancias Ultracortas


Componente Determinación

Repetibilidad de la MediciónLas coordenadas del soporte de calibración se miden con un patrón de trabajo GNSS por 02 semanas. La data se procesa en dos sesiones.

Centrado y Nivelado Misma descripción que el caso anterior

Offset de la Antena Misma descripción que el caso anterior

Órbita del Satélite Misma descripción que el caso anterior. El D es 48 m.


Misma descripción que el caso anterior. El D es 48 m.


Ejemplo de Incertidumbre de la Estación Permanente


ComponenteValor estimado

( a )Divisor

( b )

Incertidumbre estándar

( c ) = ( a ) / ( b )

Coeficiente de Sensibilidad

( d )

Componente de Incertidumbre

( e ) = ( c ) * ( d )

Repetibilidad de la Medión 3,1 mm 1 3,1 mm 1 3,1 mm

Centrado y Nivelado 0,5 mm 1,73 0,3 mm 1 0,3 mm

Frecuencia del Receptor GNSS 6,4 mm 1,73 3,7 mm 1 3,7 mm

Offset de la Antena 0,1 mm 1,73 0,1 mm 1 0,1 mm

Órbita del Satélite 6,6 mm 1,73 3,8 mm 1 3,8 mm


4,4 mm 1,73 2,5 mm 1 2,5 mm

Coordenadas de la Estación GNSS

6,0 mm 1,73 3,5 mm 1 3,5 mm

Incertidumbre Combinada 7,5 mm


Ejemplo de Incertidumbre de la Red de Distancias Ultracortas


ComponenteValor estimado

( a )Divisor

( b )

Incertidumbre estándar

( c ) = ( a ) / ( b )

Coeficiente de Sensibilidad

( d )

Componente de Incertidumbre

( e ) = ( c ) * ( d )

Repetibilidad de la Medición 0,6 mm 1 0,6 mm 1 0,6 mm

Centrado y Nivelado 0,5 mm 1,73 0,3 mm 1 0,3 mm

Offset de la Antena 0,1 mm 1,73 0,1 mm 1 0,1 mm

Orbita del Satélite 0,0 mm 1,73 0,0 mm 1 0,0 mm


0,0 mm 1,73 0,0 mm 1 0,0 mm

Incertidumbre Combinada 0,7 mm


04. En resumen...



Conclusiones e ideas finales

• Los sistemas de navegación por satélites son ampliamente usados y tienen diversas

aplicaciones, y para su uso se emplean receptores GNSS.

• No existe a nivel regional en los Institutos Nacionales de Metrología ni en el país un

control metrológico adecuado de esos equipos.

• A nivel mundial sólo dos países tienen métodos reconocidos: China y Taiwan. Estos

métodos se basan en la comparación con estaciones permanentes IGS y receptores

GNSS de trabajo.

• La trazabilidad de la medición está dada a través del patrón de la unidad de tiempo,

con lo cual se puede calibrar los receptores GNSS.




Gracias

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