Geodesia. Cartografía. Sistemas de referencia. Tiempos.

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Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos Disponibilidad, integridad, continuidad Sistemas de aumento: GPS diferencial Cálculo de la actitud Disponibilidad, integridad y continuidad. Disponibilidad I Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos En la tabla se resumen la mayor parte de los sistemas de navegación en uso. Como se puede ver, el GPS es el que consigue mayor precisión. No obstante, la precisión no es el único parámetro por el que se debe elegir un sistema de navegación. Otros conceptos de gran importancia son integridad, continuidad y disponibilidad. Disponibilidad, integridad, continuidad Sistemas de aumento: GPS diferencial Cálculo de la actitud Se define disponibilidad (availability) de un sistema de navegación como el porcentaje del tiempo que dicho sistema es “utilizable”, dentro de su área especificada de cobertura. Utilizable se refiere a que el sistema cumple unos requisitos mínimos (p.ej. en precisión) previamente especificados. Una definición típica de utilizable es que el usuario obtenga un PDOP ≤ 6. En el caso del GPS, el área de cobertura es toda la superficie de la Tierra, pero también hay que considerar el llamado “ángulo de máscara”: el ángulo de elevación en el horizonte a partir del cual los satélites se consideran visibles para el receptor GPS. En un entorno urbano o con accidentes geográficos dicho ángulo tendrá que considerarse mayor que en un entorno sin accidentes (p.ej. el mar). 37 / 48 38 / 48 Disponibilidad II Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos 336 Performance of Stand-Alone GPS Availability (%) Availability (%) 99.999 99.99 99.9 99 90 70 50 30 10 1 7.5 Deg. mask angle 5.0 Deg. mask angle 2.5 Deg. mask angle 0.0 Deg. mask angle 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 HDOP Figure 7.8 Cumulative distribution of HDOP with 7.5º, 5º, 2.5º, and 0º mask angles. Disponibilidad, 10 integridad, continuidad Sistemas de aumento: GPS diferencial 1 Cálculo de la actitud 99.999 99.99 The threshold for the maximum acceptable DOP value is dependent on the desired accuracy level. The availability of GPS, therefore, will depend on the strin- Los 99.9 datos mostrados son para la constelación nominal y para gency of the accuracy requirement. For this analysis, availability of GPS is chosen to 99 be defined as PDOP ≤ 6, which is commonly used as a service availability threshold distintos ángulos de máscara. in the GPS performance standards [17]. 90 Los 7.5 Deg. mask angle 70 datos son a nivel global y en intervalos de 5 minutos. 5.0 Deg. mask angle 50 2.5 Deg. mask angle 30 0.0 Deg. mask angle 10 es del 100 %. Para 7.5 grados se encuentra una disponibilidad 1 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PDOP Figure 7.9 disponibilidad Cumulative distribution of PDOP with 7.5º, con 5º, 2.5º, and dicho 0º mask angles. ángulo de máscara es de 10 minutos, y suceden para latitudes extremas (mayores de ±60 The threshold for the maximum acceptable DOP value is dependent on the desired accuracy level. The availability of GPS, therefore, will depend on the stringency of the accuracy requirement. For this analysis, availability of GPS is chosen to be defined as PDOP ≤ 6, which is commonly used as a service availability threshold in the GPS performance standards [17]. o ). 39 / 48 Navegación por posicionamiento Disponibilidad, integridad, continuidad GNSS: Navegación por satélite Sistemas de aumento: GPS diferencial GPS: Otros conceptos Cálculo de la actitud Availability (%) Availability (%) 90 70 50 30 99.999 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 99.99 99.9 99 90 70 50 30 10 1 HDOP 7.5 Deg. mask angle 5.0 Deg. mask angle 2.5 Deg. mask angle 0.0 Deg. mask angle 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PDOP 7.5 Deg. mask angle 5.0 Deg. mask angle 2.5 Deg. mask angle 0.0 Deg. mask angle Figure 7.8 Cumulative distribution of HDOP with 7.5º, 5º, 2.5º, and 0º mask angles. Figure 7.9 Cumulative distribution of PDOP with 7.5º, 5º, 2.5º, and 0º mask angles. Para ángulos de máscara de 0, 2.5 y 5 grados la disponibilidad del 99.98 %. La duración máxima de los periodos de no Disponibilidad III 7.4 GPS Availability 341 7.4 GPS Availability 339 Availability (%) 99.999 99.99 99.9 99 90 70 50 30 10 1 24 Satellites 23 Satellites 22 Satellites 21 Satellites 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PDOP Figure 7.12 Cumulative distribution of PDOP with 5º mask angle cases of 24, 23, 22, and 21 satellites. −150 −120 −90 −60 −30 0 30 60 90 120 150 • Date of prediction: The date for which the prediction is to be performed. The Sólo el 72 % del tiempo la constelación GPS almanac can be used nominal to accurately predict for approximately 7 days in 90 90 the future. • Mask angle: The elevation angle above the horizon at which satellites are con- está 60 disponible (por errores o60 reparaciones). sidered visible by the GPS receiver. • Terrain mask: The azimuth and elevation of terrain (buildings, mountains, and so on) that may block the satellite signal can be entered into the program 30 30 Típicamente fallan 1, 2 o 3 satélites; to ensure an accurate el prediction. 98 % del tiempo 0 habrá al menos 21 satélites. 0 • Satellite outages: If any satellites are currently out of service, their status will be reflected in the almanac data. However, if satellites are scheduled for maintenance for a prediction date in the future, the software allows the user to mark those satellites unusable. This data can be obtained from the USCG −30 −30 NAVCEN Web site. • Maximum DOP: As discussed previously, in order to determine availability, a −60 −60 maximum DOP threshold must be set (e.g., PDOP = 6). If the DOP exceeds that value, the software will declare GPS to be unavailable. Other applications may use criteria other than DOP as the availability threshold. This will be dis- −90 −90 cussed further in Section 7.3 for aviation applications. −150 −120 −90 −60 −30 0 30 60 90 120 150 Once these parameters have been input into the software, the prediction can be son respectivamente 100 %, 99.969 performed. A prediction %, was 99.903 performed for Boston % (42.35ºN, y 71.08ºW) 99.197 on Decem- %. 1- to 5-minute outages 6- to 10-minute outages 11- to 15-minute outages rences of these during the day. The majority of the outages are 10 minutes or less. This constellation provides an availability of 99.903%. 90 60 30 0 −30 −60 −90 −150 −120 −90 −60 −30 0 30 60 90 120 150 −150 −120 −90 −60 −30 0 30 60 90 120 150 1- to 5-minute outages 6- to 10-minute outages 11- to 20-minute outages 21- to 30-minute outages 90 60 30 0 −30 −60 −90 31- to 40-minute outages 41- to 65-minute outages Figure 7.15 Availability of the GPS constellation with a 5º mask angle with three satellites removed from the constellation. En la figura de la izquierda se muestra el PDOP para 24,23,22 y 21 satélites con ángulo de máscara 5 %. Las disponibilidades Las Figure 7.13 zonas Availability of the sin GPS constellation disponibilidad with a 5º mask angle with one satellite removed se muestran en la derecha para el from the constellation. caso de 21 satélites. 40 / 48
Disponibilidad IV Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos 344 Performance of Stand-Alone GPS SV 1 2 4 5 6 7 9 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31 GPS available Satellite visibility and GPS availability forecast 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time of day (hours UTC) Figure 7.18 Satellite visibility/availability over a 24-hour period. GPS available 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time of day (hours UTC) Location 12/23/94Z 42.35N 71.08W 0.00km 7 deg 3D PDOP 6.0 No. visible Dilution of precision plied by the total system. Integrity includes the ability of a system to provide valid and timely warnings to the user, known as alerts, when the system must not be used for the intended operation. GPS GPS 31 Disponibilidad, integridad, continuidad Sistemas GPS de aumento: GPS diferencial available Cálculo de la actitud Satellite visibility and GPS availability forecast plied by the total system. Integrity includes the ability of a system to provide valid Location SV and timely warnings to the user, known as alerts, when the system must not be used 12/23/94Z 1 2 constelación nominal o quitando 42.35N for satélites, the intended operation. con distintos 4 71.08W 5 6 0.00km 7 7 deg 3D 9 ángulos de máscara, etc... 12 PDOP 6.0 14 15 16 No. visible 17Por ejemplo la figura muestra un análisis local para Boston. 18 19 20 21 22Con tres satélites menos hay dos cortes al día. 23 24 25 Dilution of 26 27Para realizar este tipo de análisis precision es útil software de análisis 28 29 31 Figure 7.19 Satellite visibility/availability over a 24-hour period with satellites 16, 25, and 26 removed from the constellation. Continuidad 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time of day (hours UTC) Figure 7.18 Satellite visibility/availability over a 24-hour period. SV 1 2 4 5 6 7 9 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31 GPS available Satellite visibility and GPS availability forecast 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Time of day (hours UTC) Dilution of precision GPS Location 12/23/94Z 42.35N 71.08W 0.00km 7 deg 3D PDOP 6.0 No. visible Dilution of precision Figure 7.19 Satellite visibility/availability over a 24-hour period with satellites 16, 25, and 26 removed from the constellation. También se pueden realizar análisis locales, con toda la orbital, como por ejemplo STK (que se usará en las prácticas). 41 / 48 Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos Disponibilidad, integridad, continuidad Sistemas de aumento: GPS diferencial Cálculo de la actitud Se define continuidad (continuity) de un sistema de navegación respecto a una misión u operación, como la probabilidad de que dicho sistema sea “utilizable” de forma continua por toda la duración de dicha misión u operación. Utilizable se define respecto a los requisitos mínimos requeridos por la operación o misión, puede venir dado en términos de PDOP u otros términos. La continuidad depende mucho de la misión u operación, pero en cualquier caso está claramente relacionada con fallos no planificados de satélites. La probabilidad estimada de que un satélite deje de emitir de forma no planificada, es del 0.0001 %. GPS 42 / 48 Integridad Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos Disponibilidad, integridad, continuidad Sistemas de aumento: GPS diferencial Cálculo de la actitud Se define integridad (integrity) de un sistema de navegación como la capacidad de dicho sistema para advertir que el sistema no debe ser utilizado (debido a que no está operativo o contiene errores). Por tanto da una medida de la confianza que se puede tener en el sistema. El sistema GPS no proporciona, por sí mismo, ningún mecanismo de integridad. Pueden suceder errores críticos (a veces denominados “aberraciones”) que degraden el sistema. Por ejemplo: Efectos de la radiación en el espacio: pueden afectar a los relojes o a la electrónica de los satélites, provocando señales anómalas. Fallos en los satélites. Error humano, de software o de hardware en el segmento de control. Son errores raros que ocurren pocas veces al año, pero no son admisibles para aplicaciones de navegación aérea. 43 / 48 Navegación por posicionamiento GNSS: Navegación por satélite GPS: Otros conceptos Técnicas de mejora de integridad Disponibilidad, integridad, continuidad Sistemas de aumento: GPS diferencial Cálculo de la actitud Puesto que la integridad es crítica para muchas aplicaciones, como por ejemplo aviación, se han implementando diversos mecanismos para proporcionar integridad al GPS. Las técnicas de GSP diferencial (que veremos a continuación) pueden proporcionar integridad. Una técnica muy utilizada es la RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring): Es un algoritmo incorporado al receptor. Requiere al menos cinco satélites visibles: detecta la inconsistencia de la solución y avisa que el GPS no debe ser utilizado. Para ello emplea técnicas estadísticas de estimación. Si tiene al menos seis satélites visibles, es capaz de ignorar el satélite y seguir proporcionando datos de navegación fiables. Obsérvese que puesto que RAIM requiere 5 o 6 satélites, la disponibilidad y continuidad con RAIM será menor en general. 44 / 48
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