Tipos de receptores GPS

Receptor secuencial

Este tipo de receptor sólo cuenta con un canal.
Sigue secuencialmente a los diferentes satélites visibles.
El receptor permanece sincronizado con cada uno de los satélites al menos 1 segundo. Durante este tiempo adquiere la señal y calcula el retardo temporal.
Extrae el retardo de sólo 4 satélites y a partir de estos calcula la posición. Los satélites que elige son aquellos que tienen mejor SNR.
Estos receptores son:

• Los más baratos.

• Los más lentos.

• Su precisión es menor que la de los otros tipos de receptores.

• Suele emplearse en aplicaciones de baja dinámica (barcos, navegación terrestre...)

Receptor contínuo o multicanal

En este caso estos receptores disponen de al menos 4 canales.
A cada canal se le asigna el código de 1 satélite para que se sincronice con él y adquiera el retardo con ese satélite.
Se miden los retardos simultáneamente.
Son más rápidos que los secuenciales a la hora de calcular la posición.
Su precisión también es mejor que en el modelo anterior.
Están recomendados para aplicaciones de gran dinámica (aeronaves).

Receptor con canales multiplexados

Tenemos 1 único canal físico (hardware).
Tenemos 4 o más bucles de seguimiento (software).
De este modo se deben muestrear todos los satélites visibles en un tiempo inferior a 20 ms, pues así podremos obtener la información recibida de todos los satélites visibles (T_bit=20ms).
La complejidad software es mayor y necesitamos un microprocesador más potente. Pero tiene la ventaja respecto al receptor contínuo de que al emplear 1 sólo canal físico será menos sensible a las posibles variaciones de canal que en el caso de los recptores contínuos (los canales no pueden ser exactamente iguales, unos tendrán un retardo distinto al resto...).

Fuentes de error

Introducción

El error del NAVSTAR-GPS se expresa como el producto de dos magnitudes, a saber:

• UERE: es el error equivalente en distancia al usuario, se define como un vector sobre la línea vista entre el satélite y el usuario resultado de proyectar sobre ella todos los errores del sistema.

  • Este error es equivalente para todos los satélites.

  • Se trata de un error cuadrático medio.

• DOP (Dilution Of Precision): depende de la geometría de los satélites en el momento del cálculo de la posición. No es lo mismo que los 4 satélites estén muy separados (mejor precisión) que los satélites estan más proximos (menor precisión). El DOP se divide en varios términos:

  • GDOP (Geometric DOP), suministra una incertidumbre como consecuencia de la posición geométricade los satélites y de la precision temporal.

  • PDOP (Position DOP), incertidumbre en la posición debido únicamente a la posición geométrica de los satélites.

  • HDOP (Horizontal DOP), incertidumbre en la posición horizontal que se nos dá del usuario.

  • VDOP (Vertical DOP), suministra una información sobre la incertidumbre en la posición vertical del usuario.

Las principales fuentes de error son las siguientes:

• Error en el cálculo de la posición del satélite.

• Inestabilidad del reloj del satélite.

• Propagación anormal de la señal (velocidad de propagación no es constante).

Estos errores se corrigen a través de diferentes modelos que son transmitidos en el mensaje de navegación a los usuarios. Veremos como es el ruido del receptor el que se convierte en una de las principales fuentes de error del sistema.

Error en el cálculo de la posición de los satélites

Los satélites se desvían de las órbitas calculadas por diferentes razones, entre estas podemos citar:

• Por la variación del campo gravitatorio.

• Debido a variaciones en la presión de la radiacción solar.

• Debido a la fricción del satélite con moléculas libres.

Se ha estimado que las efemérides calculan la posición de los satélites con una precisión de 20 metros. Para disminuir (e incluso evitar) esta fuente de error se han construido varios algoritmos basados en datos experimentales (empíricos), los coeficientes de estos algoritmos se transmiten al usuario a través del mensaje de navegación para que se reduzca el error debido a esta fuente de error.

Errores debidos a inestabilidades del reloj del satélite

Los satélites emplean relojes atómicos muy precisos, pero con el paso del tiempo pueden presentar alguna deriva. En el mensaje de navegación uno de los parámetros que se enviaban era el estado del reloj del satélite para tener controlado su funcionamiento.
Debido a que el satélite está situado en un campo gravitatorio más débil se produce un adelanto del reloj y como consecuencia de la mayor velocidad que lleva el satélite se produce un retraso del reloj. Sobre estos dos efectos predomina el adelanto, por esto se diseñan para que en la superficie terrestre atrasen y al ponerlos en órbita funcionen bien, pero no se consigue totalmente debido a efectos relativistas. Todos los coeficientes se envian al usuario a través del mensaje de navegación y así la corrección de esta fuente de error es casi total.

Errores debidos a la propagación de la señal

Hemos supuesto que la velocidad de propagación de la señal es constante, pero esto no es cierto. Especialmente cuando la señal se transmite por la ionosfera y la troposfera. Por tanto las distancias medidas no son las distancias reales.
El efecto más importante se produce en la propagación por la ionosfera, este puede llegar a ser de hasta 100 metros. Para correguir este error los receptores civiles (códigos C/A y 1 sola frecuencia) usan modelos empíricos caracterizados por parámetros dependientes de la hora, latitud, estación... Todos estos parámetros se transmiten en el mensaje de navegación.
Para los receptores militares (que usan las dos frecuencias) el método para corregir este error es más eficaz.

Disponibilidad Selectiva

La disponibilidad selectiva fue eliminada el 1 de Mayo del 2000.
Estuvo motivada por la excesiva precisión obtenida por los receptores civiles, por esto se decide degradar esta precisión. Esto se hace de dos formas:

• Haciendo oscilar el reloj del satélite.

• Manipulando los datos enviados por las efemérides de los satélites

Con esto es consigue degradar el UERE hasta 37.5 metros. Los resptores militares van a disponer de los modelos de errores introducidos y ellos tendrán la precisión inicial del sistema (UERE = 66.6 m).

Precisión del sistema GPS

Se define el radio de la esfera o círculo (3D/2D) en la que estarán el 50% de las medidas.
La precisión depende de dos parámetros

• Exactitud en la determinación de las pseudodistancias.

• Geometría de los satélites.

En cuanto a la precisión en la referencia temporal tenemos:

• Sin disponibilidad selectiva: 50 ~ 100 ns

• Con disponibilidad selectiva: 300 ns

DGPS (GPS diferencial)

Se construyó pricipalmente por la introducción de la disponibilidad selectiva. Es un sistema a través del cual se intenta mejorar la precisión obtenida a través del sistema GPS.
El fundamento radica en el hecho de que los errores producidos por el sistema GPS afectan por igual (o de forma muy similar) a los receptores situados próximos entre si. Los errores están fuertemente correlados en los receptores próximos.
Si suponemos que un receptor basándose en otros técnicas conoce muy bien su posición, si este receptor recibe la posición dada por el sistema GPS será capaz de estimar los errores producidos por el sistema GPS. Si este receptor transmite la corrección de errores a los receptores próximos a él estos podrán corregir también los errores producidos por el sistema.

Con este sistema DGPS se pueden corregir en parte los errores debidos a:

• Disponibilidad selectiva.

• Propagación por la ionosfera - troposfera.

• Errores en la posición del satélite (efemérides).

• Errores producidos por errores en el reloj del satélite.

Estructura del DGPS

Una estación monitora que conoce su posición con una precisión muy alta. Esta estación tiene:

• Un receptor GPS.

• Un microprocesador para calcular los errores del sistema GPS y para generar la estructura del mensaje que se envía a los receptores.

Hay un canal de datos unidirecional hacia los recptores, por tanto:

• Necesita un transmisor (estación monitora).

• Los usuarios necesitarán un receptor para recibir estos datos.

En los mensajes que se envían a los receptores próximos se pueden incluir dos tipos de correcciones:

• Una corrección directamente aplicada a la posición.
  Esto tiene el inconveniente de que tanto el usuario como la estación monitora deberán emplear los mismos satélites, pues las correcciones se basan en esos mismos satélites.

• Una corrección aplicada a las pseudodistancias de cada uno de los satélites visibles.
  En este caso el usuario podrá hacer la corrección con los 4 satélites de mejor SNR. Esta corrección es más flexible.

El error producido por la disponibilidad selectiva varía incluso más rápido que la velocidad de transmisión de los datos. Por ello, junto con el mensaje que se envía de correcciones también se envía el tiempo de validez de las correcciones y sus tendencias. Por tanto el receptor deberá hacer algún tipo de interpolación para correguir los errores producidos.

Cobertura y precisión del DGPS

Tiene una cobertura de 200 km en torno a la estación terrena. Esta zona es donde los errores están fuertemente correlados.
Se eliminan los errores del segmento espacial y de control. En cuanto al segmento de lo usuarios se eliminan los efectos de la ionosfera y troposfera y el parámetro que más afecta es el ruido del receptor.
Se están desarrollando sistemas WADGPS (DGPS de área amplia) que no es otra cosa que un DGPS de gran cobertura. Está formado por varias estaciones monitoras DGPS cuyas áreas de cobertura están superpuestas.