Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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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?
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
Perú, calidad que deja huella
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.
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
Perú, calidad que deja huella
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
Perú, calidad que deja huella
Comparativa de los GNSS
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital 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
Perú, calidad que deja huella
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.
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02. Pero... ¿Cómo saben donde estoy ubicado?
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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.
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
Perú, calidad que deja huella
Operación de un GNSS
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
Perú, calidad que deja huella
Operación de un GNSS
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03. Y el control metrológico... ¿Cómo se realiza?
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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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.
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03. ¿La solución?
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
¿ ?
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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…
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
República de China(Taiwan)
Perú, calidad que deja huella
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.
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Capacidad de Medida y Calibración Para Receptores GNSS del NML (Aprobado el 11 de agosto de 2015)
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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.
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Sistema de Medición GNSS
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
OFICINAS
ESTACIONESPERMANENTES
IGS
2 m
2,4 m 2,4 m
2,6 m
4,5 m
Soporte para calibración
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Sistema de Medición GNSS: Trazabilidad
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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
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Análisis de la Incertidumbre de la Estación Permanente
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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.
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Análisis de la Incertidumbre de la Red de Distancias Ultracortas
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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.
Corrección por Retraso Atmosférico
Misma descripción que el caso anterior. El D es 48 m.
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Ejemplo de Incertidumbre de la Estación Permanente
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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
Corrección por Retraso Atmosférico
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
Perú, calidad que deja huella
Ejemplo de Incertidumbre de la Red de Distancias Ultracortas
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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
Corrección por Retraso Atmosférico
0,0 mm 1,73 0,0 mm 1 0,0 mm
Incertidumbre Combinada 0,7 mm
Perú, calidad que deja huella
04. En resumen...
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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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.
Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
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Calibración de Equipos de Rastreo Satelital GNSS
Gracias