1-Funciones del receptor
2-Descripción del modo de funcionamiento de un receptor GPS
2.1-Etapa de recepción : Frecuencia
intermedia.
2.2-Etapa de procesado de la
señal.
A-Cuadratura de portadora (Squaring)
B-Técnica Keegan
C-Correlación simultánea de portadora y código
3-Procesador de datos
4-Unidad de presentación y control
5-Conclusiónes
Es el conjunto de elementos (Software y Hardware) que permiten determinar la posición, velocidad y tiempo de un usuario, además de los parámetros necesarios adicionales que requiera.
1-Identificación y seguimiento de los códigos asociados a cada satélite.
2-Determinación de la distancia.
3-Decodificación de las señales de datos de navegación para obtener las
efemérides, el almanaque....
4-Aplicar
las correcciones (del reloj, ionosféricas,...).
5-Determinación de la posición y velocidad.
6-Validación de los resultados obtenidos y almacenamiento en memoria.
7-Presentación de la información.
Según la dinámica pueden ser de baja, media y alta dinámica.
Hay que diferenciar entre:
- Dinámica lineal: velocidad, aceleración y derivada de la aceleración.
- Dinámica angular:giro, balance y cabeceo.
Equipos de baja dinámica: usuarios terrestre. No tiene dinámica
angular. Suelen ser de un solo canal.
Equipos de media dinámica:
helicópteros y aviones.
Equipos de alta dinámica: helicópteros y
aviones. Con múltiples canales.
El concepto "todos los satélites a la vista" implica un seguimiento continuo de 12 satélites, y las nuevas tendencias van dirigidas a la utilización de las constelaciones GPS y GLONASS de manera conjunta, lo que lleva a receptores con 20 canales
La normativa vigente autoriza la utilización del GPS pero únicamente como sistema suplementario de navegación. Esto implica que si en algún momento del vuelo el GPS falla, seguimos teniendo las ayudas tradicionales (VOR, DME). Excepcionalmente en rutas oceánicas remotas está permitido el uso de GPS como medio único de navegación.
Un sistema primario de navegación debe cumplir con cuatro características fundamentales :
2-Descripción del modo de funcionamiento de un receptor GPS
2.1-Etapa de recepción : Frecuencia intermedia.
La señal procedente de un satélite llega a la antena del receptor. La señal recibida pasa por un filtro pasa-banda que elimina las señales que no interesan. A continuación la señal es introducida en un amplificador de gran calidad y con baja ganancia de ruido (4dB) a fin de no arrastrar el ruido por el resto de las etapas. La señal atraviesa un filtro pasabajos que elimina armónicos indeseables y a continuación, en un mezclador, mezclamos la señal recibida (fc) con la procedente de un oscilador local (fo) y obtenemos fc+fo y fc-fo. Mediante un filtro pasabajos nos quedamos con la frecuencia más baja (fc-fo). Repitiendo el proceso podemos reducir la frecuencia hasta el nivel adecuado, y entonces amplificaremos la señal y pasaremos a la etapa de procesado. Un esquema puede observarse en la figura siguiente
2.2-Etapa de procesado de la señal.
En el procesador de señales las misiones que se realizan son :
A-Cuadratura de portadora (Squaring)
Trata de correlar, en principio, la frecuencia, para posteriormente correlar el código. La correlación de frecuencia se hace para enganchar en fase a cada una de las señales presentes en la antena del receptor.
Las señales transmitidas, que son de la misma frecuencia, por efecto Doppler son recibidas con distinta frecuencia y por ello es posible su separación través de bucles de control automático de frecuencia y fase.
La técnica squaring o método de Counselman consiste en multiplicar por sí misma la señal recibida, con lo que se obtiene la frecuencia doble sin modulación en la salida.
La desviación de frecuencia Doppler no sólo afecta a la portadora, sino también a las señales que modulan a esta. Esto significa que los códigos réplica, generados por el receptor, deben ser corregidos en frecuencia en la misma proporción que se hace con la frecuencia del oscilador local. Al receptor llega la señal compuesta por superposición de todos los campos procedentes de los satélites más el ruido N(t). Si consideramos solo código C/A y señal L1 :
Donde :
n = número de satélites que iluminan al receptor
Li = Amplitud
wi = Pulsación
q i = Fase inicial
Ci = Código PRN del satélite i
Di = NAVDATA del satélite i
Si nos fijamos en el satélite j y consideramos el resto de señales como ruido, al pasar la señal por el squaring, se multiplica por si misma y desaparece la información binaria NZR (+1,-1) quedando solo radiofrecuencia pura (portadora).
Ahora
hacemos pasar la señal por un filtro que solo permite el paso de la señal
2wj y llevamos esto junto a una señal obtenida por un oscilador
(wp) a un multiplicador. Si wp¹
wj, vamos desplazando wp hasta hacerlo igual a
wj, momento en el cual tendremos una señal de amplitud constante.
Entonces tendremos el "enganche en frecuencia".
Para lograr el enganche en fase se utiliza un circuito el llamado "lazo de Costas" . Partimos de una señal y queremos sincronización con otra de igual pulsación pero fase distinta.
La señal K(d -e ) modifica la fase de la señal que sale del oscilador hasta conseguir el enganche en fase, momento en el cual d =e , luego K(d -e )=0. (IÞ En fase QÞ En cuadratura)
Por último se realiza la sincronización del código. El receptor genera internamente el código pero en principio no está sincronizado con el que llega del satélite (tenemos un cierto retardo t ). Ya hemos enganchado la portadora en frecuencia y fase, y ahora queremos extraer la información.
Haciendo un XOR entre la señal recibida D(t)Å C(t)+ruido y el código retardado C(t ), si ambas señales no están sincronizadas, a la salida solo obtendremos ruido. Mediante un correlador intentaremos sincronizar C(t) y C(t ). La función de correlación :
Cuando la salida sea 1, las señales estarán correladas y tendremos la referencia de tiempos t . Cuando no están correladas la salida es negativa y muy pequeña. El problema de la técnica Counselman es que introduce ruido. Existen otras técnicas que se indican a continuación.
Al igual que antes, si tenemos en cuenta únicamente la señal procedente del satélite j y consideramos como ruido el resto de señales :
Atacamos esta señal con C(t ), y cuando t=t la salida será 1 y habrá correlación. A continuación se filtra la señal obtenida. El bucle que permite sincronizar la frecuencia es el mismo empleado en la técnica squaring, y para la sincronización en fase se emplea también un lazo de Costas.
Las
ventajas de este sistema son que el receptor es más inmune a señales
interferentes y se mejoran las prestaciones en presencia de trayectorias
múltiples.
C-Correlación
simultánea de portadora y código
Es la
técnica más empleada en receptores que solo capturan L1 y trabajan con código
C/A. La señal que llega,
, es correlada por una
señal modulada en fase DPSK por el código retardado C(t
) correspondiente al satélite "p" que está siendo seguido.
El resultado es :
Al igual que antes, si wp¹ wi el valor medio es nulo. Vamos variando wp hasta lograr wp=wi para un determinado i y obtendremos una señal de amplitud constante.
Simultáneamente se retarda el código C(t ) hasta que
coincida con C(t), momento en el que la salida del correlador será no nula.
Existen por tanto dos bucles de control, uno de frecuencia y otro de tiempo. La
sincronización en fase se realiza con un lazo de Costas. El bucle de retardo del
código utiliza la combinación I2+Q2 (IÞ En fase QÞ En cuadratura)
que
da un máximo cuando el código recibido y la réplica coinciden en el tiempo.
Este
procedimiento no es muy adecuado debido a las fluctuaciones de la señal
recibida. Por esto, muchos receptores utilizan dos códigos réplica desplazados
entre si un tiempo muy pequeño y constante (<1m s)
denominados "pre" (Early) y "post" (Late). Las amplitudes de estos dos códigos
réplica deben ser iguales.
La señal la digitalizamos en FI y la dividimos en dos partes (lazo de Costas), una en fase (I) y otra en cuadratura (Q). El discriminador contiene un algoritmo que da el adelanto o retraso necesario para que la señal esté perfectamente correlada.
Con este sistema evitamos los problemas que existían al correlar en el pico. Lo que se hace es hacer dos correlaciones a la mitad. La correlación será correcta cuando la superposición de estos dos picos sea cero.
En el procesador de datos se recibe toda la información anterior y se calcula la posición, velocidad y tiempo. Las funciones básicas que realiza son :
Es necesario tener en cuenta el retraso debido a la variación de camino recorrido por efecto del índice de refracción. Para ello se incluye el modelo de corrección troposférica en la ROM. Hay diversos modelos para realizar esta corrección, y algunos de ellos son :
Modelo de Saastamoinen
Modelo de Hopfield
Modelo de Marini
Los valores de ad, bd y cd son funciones de T, h y j obtenidas estadísticamente. mh se calcula de igual forma.
Si una aeronave va a realizar una maniobra de aproximación de precisión, como existen distintos modelo para la corrección troposférica, está prohibido realizar estas correcciones así como las ionosféricas para evitar problemas con la señal que llega desde el aeropuerto.
4-Unidad de presentación y control
El usuario recibe la información de posición en coordenadas geodésicas (l ,j ,h) WGS-84, si bien se incluyen algoritmos que permiten pasar a otro elipsoide de referncia.
La unidad de presentación cuenta con una pantalla de cuarzo líquido de intensidad variable e iluminada para lecturas nocturnas, y en ella se presenta la siguiente información :
La unidad de control tiene un teclado alfanumérico que permite introducir puntos de referencia. También dispone de un selector de tres posiciones :
Teniendo en cuenta todo lo anteriormente expuesto, se puede resumir el funcionamiento del receptor GPS del siguiente modo :
El receptor capta la señal proveniente del satélite SV1 y realiza la correlación de código mediante alguna de las técnicas explicadas en el punto 2.2. De este modo el receptor calcula tRX-tsv y puede medir SD1.
Una vez que está identificado el satélite, el receptor procede a leer los datos del mensaje de navegación, de donde extrae el almanaque que le permite localizar otros satélites de la constelación que estén a la vista. Así podrá captar las señales de estos satélites y calcular X1Svi, X2Svi, X3Svi, fSVi y SDi.
Del mensaje de navegación también extrae los coeficientes a 0, a1, a 2, a 3, b 0, b 1, b 2 y b 3 que permiten realizar la corrección ionosférica según el modelo de Klobouchar.
Modelo de Klobouchar :
j ipm es la distancia esférica entre el polo magnético y el punto ionosférico.
j p, l p son las coordenadas del polo geomagnético. j p=78’ 3º , l p=291º
j ip, l ip son las coordenadas del punto ionosférico.
cos(j ipm)=sen(j ip)·sen(j
p)+cos(j ip)·cos(j p)·cos(l
ip-l p)
Aplicando este modelo calcula D Tiono, y a continuación realiza la corrección troposférica a partir del modelo que tenga almacenado en memoria (ver punto 3), obteniendo D tT. Así obtenemos en total D Tret=D Tiono+D tT
Del mensaje de navegación extrae los coeficientes para realizar la corrección del reloj y las efemérides que nos proporcionan datos de la órbita del satélite necesarios para el modelo de corrección del reloj.
Otros datos importantes que obtenemos del mensaje de navegación son las componentes de la posición y velocidad de los satélites.
Con todo esto el receptor es capaz de calcular primero su posición tal y como se explicó en el trabajo de "Linealización de las ecuaciones de posición" que es reproducido a continuación. Una vez conocida la posición, se calcula su velocidad :
Las ecuaciones que dan las posición del usuario se obtienen realizando medidas a cuatro satélites. Necesitamos cuatro ecuaciones puesto que tenemos cuatro incógnitas ; las tres coordenadas que dan la posición del usuario y la deriva del reloj del receptor.
para i=1,2,3,4La posición de los satélites es conocida (
) y las incógnitas
serán para j=1,2,3 y
.
Con este sistema de ecuaciones podemos determinar la posición del usuario y la deriva de su reloj en el instante de realizar las mediciones, pero al ser ecuaciones no lineales se tardaría demasiado tiempo en resolver el sistema, y eso no es admisible en el sistema GPS. Para evitarlo se procede a linealizar las ecuaciones.
Si 
es una estimación de 
tendremos :
Donde Ei es el error residual y engloba todos los errores que concurren en el cálculo de Ri ( linealización, errores en el segmento espacial, propagación, etc...)
son los
cosenos directores de respecto al CTS
Llamando 
Podemos escribir :
La ecuación en notación matricial queda :
La mejor estimación de la posición del usuario es la que minimiza el error cuadrático medio, luego tendremos que hacer :
para
j=1,2,3
Finalmente tendremos :
Ahora será necesario seguir un procedimiento recursivo para alcanzar la solución del sistema :
1-Se estima la posición del usuario respecto al sistema CTS 
.
2-Se calcula 
con lo que obtenemos 
y 
3-Con esto se calcula
la estimación que da error cuadrático mínimo 
4-Se corrige la
posición 
5-Se repite este proceso n veces hasta que el error es menor del prefijado y se toma como solución :
Longitud : 
Latitud : 
Altura : 
X1CTS = (N+H)× cos(f )× cos(l )
X3CTS = (N× (1-e2+H)× sen(f )
El procedimiento recursivo se realizaría siguiendo los pasos anteriormente comentados y de este modo obtendríamos la posición del usuario en coordenadas de longitud, latitud y altura.
El receptor genera la frecuencia fRX similar a la fSVi pero con una cierta deriva. Del satélite recibe la frecuencia fSVi con una desviación D fSVi debida al efecto Doppler.
De este modo podemos expresar :
La deriva
relativa en frecuencia del receptor 
es desconocida, y el
término de desviación Doppler se adquiere
en el procesador de señales y se digitaliza para ser introducido en el
procesador de datos, con lo que obtenemos :
Para i=1,2,3,4 Que es un
sistema lineal de 4 ecuaciones con 4 incógnitas (Cu,
j=1,2,3) fácil de resolver
mediante cálculo numérico.
Otros métodos
por los que podría calcularse la posición son la “cuenta Doppler” y la “medida
de fase”, que serán explicados en esta web en futuras versiones.