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EFEMRIDES DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL GPS

Tres sistemas de datos estn disponibles para la determinacin de los vectores de posicin yvelocidad de los satlites en un marco terrestre de referencia para cualquier instante. Estossistemas son: datos del almanaque, efemrides transmitidas, y efemrides precisas.Los datos se diferencian en su exactitud y en que estn disponibles en tiempo real o despus

del evento.

DATOS DEL ALMANAQUE

El propsito del almanaque es el de proveer al usuario de datos menos exactos para facilitar labsqueda de los satlites por parte del receptor o para las tareas de planificacin tales como elclculo de las mscaras de la visibilidad del horizonte. El almanaque es transmitido por elmensaje de los satlites y esencialmente contiene parmetros de la representacin de la rbita,parmetros de correccin de los relojes del satlite, y otras informaciones.

EFEMERIDES TRANSMITIDAS

Estn basadas en observaciones de cinco de las estaciones de monitoreo del segmento decontrol del sistema GPS. Estas estaciones reciben permanentemente las seales emitidas porlos satlites y envan las observaciones a la Estacin de Control Maestro, quien se encarga decalcular las rbitas de los satlites. Para el clculo orbital se realiza el razonamiento inverso aldel clculo de la posicin del receptor. Se invierten los papeles que cumplen la posicin delreceptor, que pasa a ser el dato conocido en lugar de la incgnita a determinar y la posicin delsatlite, que pasa a ser la incgnita a determinar en lugar del dato conocido. Todas lasestaciones poseen una ubicacin perfectamente conocida y es con respecto a ellas que sedeterminan las posiciones de los satlites GPS. Estas estaciones determinan el marco dereferencia utilizado por el GPS, denominado WGS84 (World Geodetic System 1984). Con todaslas observaciones colectadas a lo largo de 7 das por las estaciones de rastreo, la estacin decontrol maestro calcula la rbita de los satlites GPS. Esta rbita refleja el movimiento de los

satlites en el perodo que fue realizado el clculo y no el movimiento presente. La estacin decontrol maestro utiliza las rbitas calculadas para predecir rbitas que describan el movimientode los satlites en el futuro. Luego estas rbitas predichas son enviadas desde tierra a lossatlites. De esta manera, cuando se realizan observaciones, es el mismo satlite quien letransmite al usuario la rbita que describe su propio movimiento en el momento de laobservacin.

Estas rbitas se definen a travs de los elementos keplerianos de las mismas, con parmetrosadicionales de perturbacin.

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Los parmetros se refieren a una poca de referencia dada toe para las efemrides y toc parael reloj, teniendo validez por un lapso de tiempo de ms o menos dos horas antes y dos horasdespus de la poca de referencia. Por lo tanto, se obtiene la representacin de la trayectoriasatelital a travs de una secuencia de distintas rbitas de Kepler disturbadas. Cada 120minutos, se transmite un grupo de datos nuevos, lo cual ocasiona pequeos saltos que sepueden distinguir al superponer las distintas representaciones. Estos saltos pueden alcanzar

algunos decmetros de altura. La precisin de las coordenadas de los satlites a partir de lasefemrides transmitidas es generalmente de 1 a 3 m..

EFEMERIDES PRECISAS

Las efemrides precisas son determinadas por el International GPS Service (IGS), en base alos datos recogidos por sus estaciones de referencia GPS distribuidas por todo el globoterrestre. El IGS calcula dos tipos de soluciones:Una primera solucin rpida (cdigo igr) se calcula al finalizar cada da, una vez los Centros deAnlisis de Datos del IGS han recogido, de todas las estaciones de referencia, los datos GPSregistrados por las mismas durante el da anterior. Esta solucin rpida igr est disponible 17horas despus del final del da correspondiente (24h UTC), y tiene una precisin que el propio

IGSestima en mejor que 5 cm. en cada una de sus tres componentes geocntricas (X,Y,Z).La solucin final de las efemrides de precisin que procesa el IGS

(cdigo igs), resulta de unacombinacin ponderada entre todos sus Centros de Anlisis, siendo su actualizacin semanal yno est disponible hasta 13 das despus de concluida la semana GPS, a las 24 horas UTC decada sbado.

Las efemrides precisas se encuentran en archivos diarios (de 0:00 a 23:45 UTC) en el formatoASCII universal SP3 que contiene las posiciones geocntricas X, Y, Z, as como lascorrecciones a sus relojes en intervalos de 15 minutos. Las posiciones estn referidas al Marcode Referencia Terrestre Internacional (ITRF).Se encuentran disponibles para los usuarios en: http://igscb.jpl.nasa.gov

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CALCULO DE LA POSICIN DE UN SATELITE GPS

El usuario del sistema GPS debe tener acceso en tiempo real a las posiciones satelitales y altiempo del sistema satelital para resolver tareas de navegacin. Esto es posible por medio de lainformacin orbital, es decir por medio del mensaje de navegacin, que est contenido en la

seal de los datos (efemrides transmitidas). En este mensaje se encuentran parmetros quedescriben la orbita satelital y el estado del reloj del satlite. En base a esto, se calculan lascoordenadas X, Y, Z del satlite referidas al sistema geodsico mundial WGS84 en tiempo real.Los parmetros que describen la rbita de un satlite son (parmetros de Kepler referidos auna poca de referencia toe):

A= semieje mayor de la rbita.e= excentricidad de la rbita.io= ngulo de inclinacin de la rbita.o= ascensin recta del nodo ascendente.

= argumento del perigeo.Mo= anomala media.

o,io ubican el plano orbital. determina la rbita en el plano orbital (ubica el perigeo).

A, e determina la forma de la rbita.

Mo sirve para ubicar la posicin del satlite a la poca de referencia.

Estos parmetros estn incluidos en las efemrides transmitidas. Otros parmetros que setransmiten con la seal GPS son:

Parmetros de Tiempo:

toe= tiempo de referencia para los parmetros de las efemrides (s).toc= tiempo de referencia para los parmetros del reloj del satlite (s).ao, a1, a2= coeficientes polinomiales de correccin del reloj del satlite.

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Parmetros de Perturbacin:

n = Diferencia de la mocin media de los valores computados ( rad/s).

= tasa de la ascensin recta (rad/s).

i = tasa de la inclinancin (rad/s).Cus= Amplitud del trmino de correccin armnico del seno del argumento de latitud (rad).Cuc= Amplitud del trmino de correccin armnico del coseno del argumento de latitud (rad).Cis= Amplitud del trmino de correccin armnico del seno del ngulo de inclinacin (rad).Cic= Amplitud del trmino de correccin armnico del coseno del ngulo de inclinacin (rad).Cis= Amplitud del trmino de correccin armnico del seno del ngulo de inclinacin (rad).Crs= Amplitud del trmino de correccin armnico del seno del radio orbital (rad).Crc= Amplitud del trmino de correccin armnico del coseno del radio orbital (rad).

CALCULO DEL TIEMPO

El tiempo del sistema GPS es una escala de tiempo atmica. Se caracteriza por el nmerosemanal y el nmero de segundos transcurridos desde el comienzo de la semana actual; por lotanto el tiempo GPS puede variar entre 0, al comienzo de una semana y 604800, al final de unasemana.La poca inicial de GPS es el 6 de enero de 1980 a las 0 horas de UTC. Es por eso que lasemana GPS comienza a medianoche del sbado (tiempo universal). En ese momentocoincidieron los tiempo GPS y UTC.El tiempo del sistema GPS es una escala continua de tiempo definida por el reloj principal dela Estacin Central de Control. Los segundos desplazados en la escala de tiempo UTC y ladesviacin en el reloj de la Estacin indican que las escalas de tiempo UTC y GPS no sonidnticas. Esta diferencia es controlada continuamente por el segmento de control y se latransmite a los usuarios en el mensaje de navegacin.

Debido errores de frecuencia constantes e irregulares de los osciladores satelitales, difiere elreloj del satlite respecto al tiempo del sistema GPS. El tiempo del satlite individual tSAT secorrige para obtener el tiempo t del sistema GPS:

SATSAT ttt = ( ) ( )2

oc2oc10SAT ttattaat ++=

Las coordenadas cartesianas Xk, Yk, Zk se calculan para una poca dada t (tiempo GPS),referidas a un sistema convencional terrestre.El tiempo tknecesario para stos clculos es el transcurrido desde la poca de referencia toedelos parmetros de las efemrides:

oek ttt =

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ARCHIVOS RINEX: Archivos de Intercambio de Informacin GPS.

Introduccin.

El RINEX (Receiver Independent Exchange Format), son las siglas de un formato deintercambio de informacin GPS. Fue presentado en el 5 Simposium Geodsico Internacional

de Posicionamiento por Satlites que tuvo lugar en Las Cruces (Mxico) en marzo de 1989. EnAgosto de ese mismo ao es recomendado por la Asociacin Internacional de Geodesia (IAG)como formato estndar de intercambio de ficheros GPS.En este Simposium compiti con otros tres formatos de datos:

FICA (Floating Integer Character ASCII): desarrollado por el Applied Research Laboratoryde la Universidad de Texas.

ARGO (Automatic Reformatting GPS Observations), programa desarrollado por la NGSestadounidense.

ASCII: Formato de intercambio ASCII de la Geodetic Survey de Canad para uso interno.Tras una serie de deliberaciones, finalmente se opt por el formato RINEX pero con una seriede reformas sobre su desarrollo inicial.

El responsable de la primera versin de este formato fue el Instituto Astronmico de la

Universidad de Berna (Suiza), emplendose por primera vez en la campaa geodsicaEUREF-89 que realiz este mismo Instituto. En ella, se dispuso de 60 receptores de 4 marcardistintas, por lo que la necesidad de disponer de un fichero de intercambio de datos quefacilitara el clculo de bases en conjunto era primordial.Esta primera versin del RINEX solamente era capaz de transformar los datos deposicionamientos estticos. Posteriores versiones incluyeron el resto de posicionamientos(esttico-rpido, pseudocinemtico, cinemtico, etc). La versin 2 sali a la luz en Septiembrede 1990, en el Simposium de Ottawa (Canad), resultando ser una versin abierta a futuraspequeas modificaciones, como la de 1993 que incluye un pequeo cambio en los datostomados bajo el Antispoofing (A/S), o la de inclusin de archivos de la constelacin rusaGLONASS de principios de 1997. La NGS es la institucin que ha actuado como coordinadorde la normalizacin de este formato.

Base del Formato RINEX.

La base del RINEX parte de que la mayoradel software para GPS emplea los siguientesobservables: La medida de la portadora de fase en una o dos frecuencias (L1 o L1 y L2). El tiempo obtenido en el instante de validar las medidas de fase y cdigo. La medida de la Pseudodistancia o cdigo.

El RINEX implica que los datos binarios propios de cada tipo de receptor pueden sertransformados a formato independiente universal ASCII durante el proceso de descarga,permitiendo as usar otro tipo de software o intercambiar datos procedentes de otros

receptores. Dado que la estructura de los datos fuente (binario) difiere de cada receptor, esnecesario que cada proveedor de software GPS genere un interprete para este formato.Dado que el RINEX es un archivo de intercambio de informacin cumple con la mayora de loscondicionantes que se imponen a un fichero de intercambio (informacin nicamentenecesaria, fcilmente transportable entre los diversos sistemas operativos, no-redundancia dedatos, posibilidad de agregar nuevas observaciones), excepto con uno fundamental: la granlongitud de sus ficheros. Inicialmente pudo haberse optado por la disminucin de dicho tamaoescogiendo un formato binario pero a costa de perder accesibilidad a su contenido ydisponibilidad para el usuario. En la actualidad con los programas de comprensin de ficherosse consigue reducir indiscutiblemente el fichero RINEX en un factor de tres o ms. Por ejemplo,un archivo de medio da de observacin, con pocas de 30 segundos, puede llegar a ocupar de1.5-2 Mb fcilmente comprensibles a 500-600 kb o incluso menos. Pueden emplearse los ya

conocidos formatos de compresin (ARJ, ZIP), aunque la Universidad de Delft (Holanda) ha

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desarrollado un formato propio binario denominado CB18, especialmente diseado paraRINEX.

Formato RINEX.

El formato RINEX se compone de la creacin de cuatro tipos de archivos para su versin 2 en

adelante. Estos cuatro tipos son:

El fichero de los datos de observacin. El fichero de datos meteorolgicos. El fichero con el mensaje de navegacin. El fichero del mensaje de navegacin del sistema GLONASS.

En las primeras versiones nicamente se dispona de dos ficheros, el de observacin y el denavegacin.

La grabacin de estos archivos tiene un mximo de 80 caracteres por lnea, facilitando as unafcil inspeccin del archivo en su visualizacin en la pantalla del ordenador, adems cadafichero se compone de una cabecera y de una seccin de datos.

La cabecera contiene la informacin general del fichero como puede ser la relativa a laestacin, el receptor o la antena. La seccin de datos contiene los datos referentes al tipo dearchivo. Los datos de observacin y meteorologa son creados para cada sesin y lugar,mientras que el mensaje de navegacin es independiente de estos.

La versin 2 de RINEX permite cabeceras adicionales para incluir nuevos registros en laseccin de datos. Esto es muy til cuando se producen cambios en la informacin de laestacin durante la observacin, como por ejemplo un cambio del mtodo de observacinempleado: de rpido esttico a cinemtico. Dentro de cada cabecera es posible incluircomentarios, solo hace falta situar el registro END OF HEADER al final de dichas lneas.Cada fichero RINEX hace referencia a los datos recolectados por un receptor en una estacin yen una sesin. Aunque en la versin 2 es posible dejar colgado el fichero y recoger datos enmodo secuencial para medidas cinemticas o esttico- rpidas. Adems, el RINEX de esta

versin permite combinar observaciones de otros sistemas de observacin como puede ser elTRANSIT.

Archivo de Navegacin.

El fichero con el mensaje de navegacin contiene los datos orbitales, los parmetros del reloj yla precisin de las medidas de pseudodistancia de los satlites observados. Su cabecerapuede contener opcionalmente datos del mensaje de navegacin tales como los parmetrosdel modelo ionosfrico para aparatos de una sola frecuencia y trminos de correccionesrelacionados con los tiempos GPS y UTC. Una gran parte de este fichero est basado en elformato ARGO de la NGS.

El fichero de navegacin GLONASS sigue esta misma filosofa para su cabecera. Sin embargo,

la estructura de datos difiere mucho de la empleada por el GPS, sobre todo en lo que refiere alos sistemas de tiempo empleados en las dos constelaciones. Adems define las rbitas de lossatlites por sus coordenadas, insertadas desde las bases centrales a unas horasdeterminadas e indicndose la antigedad de dicha informacin. La definicin del tiempoGLONASS tambin ha dado sus problemas, siendo necesario indicar la procedencia del tiempode referencia de las observaciones.

Caractersticas del Archivo de navegacin:

ETIQUETA DE CABECERA DESCRIPCION

RINEX VERSION / TYPE - Formato y tipo de fichero(N Navegacin).

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PGM / RUN BY / DATE - Nombre, agencia y da de creacin.

COMMENT - Comentario.

ION ALPHA - Parmetros ionosfricos A0-A3 delalmanaque.

ION BETA - Parmetros ionosfricos B0-B3 delalmanaque.

DELTA-UTC: A0,A1,T ,W - Parmetros del almanaque para calcular el tiempoen el sistema UTC:

* A0,A1: Trminos del polinomio.* T: Tiempo de referencia para

datos UTC.* W: Nmero de la semana UTC

de referencia.

LEAP SECONDS - Error en el tiempo por el salto de segundo

END OF HEADER - Final de cabecera.

OBS. RECORD Grupo 1 -Nmero PRN, ao, mes, da, hora, min., sec.- Error del reloj del satlite (s).- Deriva del reloj del satlite (s/s).- Perodo de deriva (s -1).

Grupo 2 - Edad de las efemrides (s).- Correccin Crs (m).- Diferencia media de movimiento (rad / s).

- Anomala media (rad).

Grupo 3 - Correccin Cuc (rad).- Excentricidad.- Correccin Cus (rad).- Raz cuadrada del semieje mayor (m1/2).

Grupo 4 - Tiempo de las efemrides (segundos de semanaGPS).

- Correccin Cic (rad).- Nodo de longitud (OMEGA) (rad).- Correccin Cis (rad).

Grupo 5 - Inclinacin (rad).- Correccin Crc (m).- Argumento del perigeo (omega) (rad).- Velocidad del nodo de longitud (OMEGA DOT)

(rad/s) .

Grupo 6 - Velocidad de inclinacin (IDOT) (rad / s)- Cdigos en el canal L2.- Semana GPS.- Aviso de datos de cdigo P en L2.

Grupo 7 - Precisin del satlite (m).

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- Salud del satlite (entrada MSB).- Retardo ionosfrico (TGD) (s).- Edad de los datos del reloj (s).

Grupo 8 - Tiempo de transmisin del mensaje (s de semanaGPS).

- De repuesto / sin informacin.- De repuesto / sin informacin.- De repuesto / sin informacin.

Ejemplo de fichero de navegacin de datos GPS:

2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPE

EPHTORNX Version 2.1 08-OCT-97 13:39 PGM / RUN BY / DATE

END OF HEADER

14 97 10 8 9 59 60.0 0.228183344007D-04 0.341060513165D-12 0.000000000000D+00

0.590000000000D+02-0.460312500000D+02 0.431589386451D-08 0.123485942917D+01

-0.239536166191D-05 0.151082023513D-02 0.914372503757D-05 0.515376567459D+04

0.295200000000D+06 0.279396772385D-07 0.136000332260D+01 0.130385160446D-07

0.969519034508D+00 0.206718750000D+03 0.294364805951D+01-0.789104337429D-08

0.140720143871D-09 0.100000000000D+01 0.926000000000D+03 0.000000000000D+00

0.700000000000D+01 0.000000000000D+00-0.232830643654D-08 0.590000000000D+02

0.000000000000D+00

16 97 10 8 9 59 44.0 0.310195609927D-04 0.159161572810D-11 0.000000000000D+00

0.820000000000D+02-0.466250000000D+02 0.445554260153D-08 0.109773916963D+01

-0.235624611378D-05 0.221713271458D-02 0.879168510437D-05 0.515362895393D+04

0.295184000000D+06 0.465661287308D-07 0.136628704583D+01 0.186264514923D-07

0.965927376055D+00 0.210343750000D+03 0.664243366688D-01-0.796533150549D-08

0.717887069235D-10 0.100000000000D+01 0.926000000000D+03 0.000000000000D+00

0.700000000000D+01 0.000000000000D+00-0.232830643654D-08 0.820000000000D+02

0.000000000000D+00