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Receptor GPS Global Position System - Monografía



 
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Aeronáutica. Software y hardware. Funciones. Funcionamiento. Señal. Procesador de datos. Unidad de presentación y control



EL RECEPTOR GPS.



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-Funciones del receptor.



1-Identificación y seguimiento de los códigos asociados a cada satélite.
2-Determinación de las 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:

guiñada, balance y cabeceo.

Equipos de baja dinámica:

Usuarios terrestre. No tiene dinámica angular. Suele ser de un solo canal.

Equipos de media dinámica:

Helicópteros y aviones. Son de varios canales.

Equipos de alta dinámica:

Helicópteros y aviones. Son 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

Diagrama de bloques de un receptor de GPS.



6598.gif

La normativa vigente en España 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 :

Precisión
Continuidad
Integridad
Disponibilidad

Por definición, la continuidad y disponibilidad no están garantizados en el sistema GPS, por lo que no puede considerarse un sistema primario.


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
6599.gif

2.2-Etapa de procesado de la señal.



En el procesador de señales las misiones que se realizan son :

Sincronización en fase y frecuencia del satélite y el receptor
Sincronización de los códigos PRN del satélite y los generados internamente.

Al ser el nivel de potencia de las señales recibidas del orden de -160dB en el entorno de la superficie terrestre menor que el nivel correspondiente al ruido, se requiere la utilización de técnicas de correlación para su detección y captura. Es necesario correlar en frecuencia y en código, y para esto existen distintas técnicas :

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 :

6600.gif

Donde :

6601.gif

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).

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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 wp 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.
6604.gif

Cuando la salida sea 1, las señales estarán correladas y tendremos la referencia de tiempos . 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.

Técnica Keegan



Al igual que antes, si tenemos en cuenta únicamente la señal procedente del satélite j y consideramos como ruido el resto de señales :

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Atacamos esta señal con C( ), y cuando 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.

Correlación simultánea de portadora y código



Es la técnica más empleada en receptores que solo capturan L1 y trabajan con

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Al igual que antes, si wp 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( ) 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 (I==>En fase Q==>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 (<1 s) denominados "pre" (Early) y "post" (Late). Las amplitudes de estos dos códigos réplica deben ser iguales.

6607.gif

E=Código adelantado medio chip
P=Código sin hacerle nada
L=Código retrasado medio chip
NCO=Oscilador de control numérico
FLL=Enganche en frecuencia
FES=Enganche en fase

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.

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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.

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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 :

Controlar el receptor tanto en la etapa de frecuencia intermedia como en la de procesado de las señales
Decide que satélites seguir (validar, registrar y presentar la información)
Calcular la pseudodistancia
Aplicar las correcciones correspondientes
Analizar la información para presentarla
6610.gif

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


6611.gif

Modelo de Hopfield



6612.gif

Modelo de Marini



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Los valores de ad, bd y cd son funciones de T, h y 6614.gifobtenidas 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 6615.gif 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 :

Posición 6615.gif
Punto de referencia seleccionado (Way Point)
Desviación respecto al camino seleccionado
Distancia al punto seleccionado
Tiempo estimado de llegada

La unidad de control tiene un teclado alfanumérico que permite introducir puntos de referencia. También dispone de un selector de tres posiciones :

Automático : Sigue automáticamente los satélites, calcula la distancia, linealiza y fija la posición. Al llegar al destino y apagar el equipo, se borra la memoria
Reserva : En este caso no se borra la memoria, lo que ahorra tiempo para interpretar las efemérides al volver a conectar.
TLM (Telemando) : Iniciación por tarjeta externa.

5-Conclusiónes


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 6616.gif que permiten realizar la corrección ionosférica según el modelo de Klobouchar.

Modelo de Klobouchar :



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6618.gif

6619.gif
e = excentricidad de la órbita
A = semieje mayor de la órbita
Ek = Anomalía excéntrica de la órbita

Otros datos importantes que obtenemos del mensaje de navegación son las componentes de la posición y velocidad de los satélites.

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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 :

6621.gif

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.

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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. Para evitar esto se procede a linealizar las ecuaciones.

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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…)

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6625.gif

La ecuación en notación matricial queda :

6626.gif

La mejor estimación de la posición del usuario es la que minimiza el error cuadrático medio, luego tendremos que hacer :

6627.gif

Luego :

6628.gif

Finalmente tendremos :

6629.gif

Ahora será necesario seguir un procedimiento recursivo para alcanzar la solución del sistema :

1-Se estima la posición del usuario respecto al sistema CTS 6630.gif

2-Se calcula 6631.gifcon lo que obtenemos 6632.gif

3-Con esto se calcula la estimación que da error cuadrático mínimo

6633.gif

4-Se corrige la posición 6634.gif

5-Se repite este proceso n veces hasta que el error es menor del prefijado y se toma como solución :

6635.gif

Si lo que deseamos es conocerla posición del usuario en coordenadas asociadas al WGS84 :

6636.gif

6637.gif

6638.gif

6639.gif
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.

Para realizar el cálculo de la velocidad :

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El receptor genera la frecuencia fRX similar a la fSVi pero con una cierta deriva. Del satélite recibe la frecuencia fSVi con una desviación fSVi debida al efecto Doppler.

De este modo podemos expresar :

6641.gif

La deriva relativa en frecuencia del receptor 6642.gif es desconocida, y el término de desviación Doppler 6643.gif

se adquiere en el procesador de señales y se digitaliza para ser introducido en el procesador de datos, con lo que obtenemos :

6644.gif

Que es un sistema lineal de 4 ecuaciones con 4 incógnitas6645.gif fácil de resolver mediante cálculo numérico.

Otros métodos por los que podría calcularse la posición son la “cuenta Doppler” y la “medida de fase”.

Autor:

Isaac Solano Martín





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