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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Aplicación a un receptor GPS de correcciones diferenciales recibidas mediante redes móviles (DGPS-IP) Autor Santiago Redondo Salvo Director Juan Pablo Martínez Cortés Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Escuela de Ingeniería y Arquitectura 2012 Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Aplicación a un receptor GPS de correcciones diferenciales recibidas mediante redes móviles (DGPS-IP) Santiago Redondo Salvo 19 de Noviembre de 2012 Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Escuela de Ingeniería y Arquitectura Universidad de Zaragoza 2 Dedicado con todo mi afecto a mi familia por su apoyo y cariño, en especial a mis tíos por brindarme en Alcañiz una ubicación inmejorable en la que realizar el proyecto A mi padre Esta página ha sido intencionalmente dejada en blanco 4 Aplicación a un receptor GPS de correcciones diferenciales recibidas mediante redes móviles (DGPS-IP) RESUMEN El principal objetivo del presente proyecto ha consistido en el desarrollo de una aplicación que permite el estudio pormenorizado de los sistemas DGPS sobre IP. La aplicación proporciona los medios para conectarse a diversos receptores, recibiendo datos de estos equipos, habilitando su conguración y proporcionándole las correcciones diferenciales que habilitan el funcionamiento de los receptores diferenciales. En concreto este proyecto se ha centrado en los modelos de receptores Placer y Lassen de la casa Trimble, implementándose el protocolo TSIP para realizar las labores de conguración y toma de datos. El envío de las correcciones diferenciales al receptor se realizó mediante el protocolo RTCM, obtenendose dichas correcciones de servidores conectados por TCP/IP mediante la implementación de la parte cliente del protocolo NTRIP. La aplicación desarrollada proporciona un marco en el que desarrollar pruebas con diversos receptores GPS, permitiendo un funcionamiento interactivo con el que realizar una toma de contacto con los diversos escenarios o un uso automatizado que permite la toma de datos en escenarios más complejos. Estas características hacen de ella una competente herramienta auxiliar que se puede utilizar como entrenador de prácticas. Para la comprobación del funcionamiento de la aplicación se desarrollarón una serie de pruebas con las que caracterizar el comportamiento de los sistemas DGPS cuando reciben las correcciones mediante redes de datos inalámbricas. Dichas pruebas han consistido en la caracterización del error cuando se utilizan correcciones diferenciales correspondientes a estaciones situadas a distintas distancias, cuanticando la mejora de prestaciones respecto a la utilización del GPS sin correcciones, y el estudio del comportamiento de dichos sistemas frente a distintos retardos en la llegada de las correcciones. 5 6 Índice general 1. Motivación y alcance del proyecto 9 1.1. Motivación ................................... 9 1.2. Objetivos .................................... 10 1.3. Organización de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS 12 2.1. ElsistemaGPS................................. 12 2.1.1. Conceptos Operativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2. ElsistemaDGPS................................ 16 2.3. ErrordelsistemaGPS............................. 17 2.3.1. Fuentes de error en las medidas de las pseudodistancias . . . . . . 19 2.3.2. Efectos de las correcciones diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.3. Balance de errores en la pseudodistancia . . . . . . . . . . . . . . . 20 3. Equipos y protocolos 22 3.1. Modelo de receptor GPS utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Protocolos de comunicación con el receptor GPS . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1. NMEA 0183 (National Marine Electronics Association 0183) . . . . 23 3.2.2. TAIP (Trimble ASCII Interface Protocol) . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.3. TSIP (Trimble Standard Interface Protocol) . . . . . . . . . . . . . 24 3.3. Correcciones diferenciales por IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.1. RTCM SC104 (Radio Technical Commission For Maritime Services, Special Committee No. 104) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3.2. NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) . . 26 3.4. Esquema de conexiones de los equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS 30 4.1. Ventana principal de AnalizadorDGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2. Conexión y recepción por el puerto de control . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.3. Decodicación del tráco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.4. Transmisión por el puerto de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.5. Visualización del tráco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.6. Comunicación por el puerto de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.7. Comunicación con los servidores diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.8. Adquisición de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.9. Características adicionales de AnalizadorDGPS . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.10.EditorDGPS .................................. 43 7 Índice general 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS 45 5.1. Efecto de la distancia a la estación de referencia . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2. Comportamiento con visibilidad reducida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3. Comportamiento frente al retardo de las correcciones . . . . . . . . . . . . 54 5.4. Pruebadinámica ................................ 55 6. Conclusiones y líneas futuras 60 6.1. Conclusiones .................................. 60 6.2. Desarrollosfuturos............................... 61 A. Guía de uso del programa 62 B. Deniciones de precisión del posicionamiento 66 B.1. Denición matemática de los parámetros utilizados para carácterizar el errorenlaposición............................... 66 B.2. Medidas tridimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 B.3. Medidas bidimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 B.4. Medidas unidimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 B.5. Especicaciones originales del sistema GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 C. Determinación de la posición en Geodesia 72 D. Datos de las pruebas realizadas 74 D.1. Situación física del emplazamiento y posición de la antena . . . . . . . . . 74 D.2. Determinación de la posición de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 D.3. Listado de estaciones de referencia disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . 80 E. Hojas de características de los receptores 83 8 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS probability level) [7, 11]. To further improve the GPS positioning accuracy, the so-called differential method, which employs two receivers simultaneously tracking the same GPS satellites, is used. In this case, positioning accuracy level of the order of a subcentimeter to a few meters can be obtained. Other uses of GPS include the determination of the users velocity, which could be determined by several methods. The most widely used method is based on estimating the Doppler frequency of the received GPS signal [6]. It is known that the Doppler shift occurs as a result of the relative satellite-receiver motion. GPS may also be used in determining the attitude of a rigid body, such as an aircraft or a marine vessel. The word attitude means the orientation, or the direction, of the rigid body, which can be described by the three rotation angles of the three axes of the rigid body with respect to a reference system. Attitude is determined by equipping the body with a minimum of three GPS receivers (or one special receiver) connected to three antennas, which are arranged in a nonstraight line [12]. Data collected at the receivers are then processed to obtain the attitude of the rigid body. 1.7 GPS positioning service As stated earlier, GPS was originally developed as a military system, but was later made available to civilians as well. However, to keep the military advantage, the U.S. DoD provides two levels of GPS positioning and timing services: the Precise Positioning Service (PPS) and the Standard Positioning Service (SPS) [3]. Introduction to GPS 9 R3 R2 R1 R1 R2 R3 Figure 1.5 Basic idea of GPS positioning. T Figura 2.3.: Posicionamiento por triangulación. Reproducido de [5] rísticas adecuadas para facilitar la detección de sus tiempos de tránsito. Adicionalmente, y gracias a las efemérides codicadas en el mensaje de datos de navegación de cada satélite, el receptor puede calcular la posición y el momento de inicio de emisión de la señal y, por tanto, puede calcular la pseudodistancia entre el satélite y el usuario. Repitiendo esta operación con múltiples satélites, el receptor dispondrá de toda la información necesaria para determinar su propia posición mediante técnicas como la triangulación. Conceptualmente, como podemos ver en la Figura 2.3, la triangulación se basa en que cada medida de una distancia dene una esfera centrada en el satélite correspondiente. De esta forma, y al estar en un espacio tridimensional, la posición del receptor se dene como el punto de intersección común de tres de estas esferas que esté situado en la supercie del planeta o cerca de ella. Utilizar esta técnica requiere, por tanto, un mínimo de tres satélites simultáneamente a la vista del receptor con los que obtener las medidas necesarias para resolver las tres incógnitas que representan la posición del usuario. Sin embargo, todavía no hemos tenido en cuenta que estamos usando pseudodistancias en los cálculos de la triangulación y que, por tanto, las medidas contienen errores. Si tenemos en cuenta la velocidad de las señales electromagnéticas en su viaje por la atmósfera hasta el receptor, un error de 1microsegundo en el cálculo del tiempo de tránsito de la señal equivale a un error en distancia de 300m. Unos errores de esta magnitud son realmente elevados, de hecho el resto de errores son despreciables frente a los producidos por la no sincronización de los relojes [9]. Para minimizar esta fuente de error los relojes del Segmento de Control y los satélites son atómicos, debiéndose ajustar previamente los relojes de los satélites para tener en cuenta los efectos relativistas por estar en órbita. Para evitar esta complejidad en los receptores del Segmento de Usuario, el sistema GPS asume desde el primer momento la existencia de un error en el reloj del receptor, permitiendo que la mayoría de estos sean construidos con cristales osciladores de baja precisión. Por esta razón, el sistema GPS requiere un mínimo de cuatro satélites simultáneos a la vista del receptor para resolver la solución PVT. De esta forma contamos con cuatro medidas para resolver las tres incógnitas de la posición del usuario y un cuarto parámetro que representa el error en el reloj del receptor. Sin embargo, un receptor puede usar menos de cuatro satélites si el tiempo o la altura son conocidas de antemano con precisión o si se pueden obtener desde una fuente externa. 15 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS Satélite 1 Estación de Referencia Receptor móvil Satélite 3 Satélite 2 Satélite 4 Correcciones para los satélites 2, 3 y 4 Figura 2.4.: Componentes del sistema DGPS Esta misma necesidad de precisión, es la razón para la continua monitorización, por parte del Segmento de Control, de los satélites y las señales emitidas por estos. El organismo de gestión del sistema GPS ha de asegurarse que todos los satélites están posicionados en las órbitas adecuadas y emiten los datos de navegación correctos, porque en caso contrario, estos errores se acumularían posteriormente en la solución PVT nal. Por ejemplo, normalmente la información contenida en las efemérides de cada satélite es válida para una navegación precisa durante un periodo de cuatro horas desde el momento en que se emite un nuevo conjunto de datos por dicho satélite [9]. Por esta razón han de transmitirse por los satélites nuevas efemérides con antelación. 2.2. El sistema DGPS El sistema GPS Diferencial es el método más ampliamente utilizado de mejora de las características del GPS, pudiendo aumentar signicativamente la precisión del sistema GPS básico. La Figura 2.4 representa la arquitectura de un sistema DGPS típico consistente en un receptor de referencia, localizado en una posición previamente conocida de una forma altamente precisa por medios externos, y uno o más receptores DGPS usuarios. Estos receptores usuarios son llamados con frecuencia receptores móviles porque no están restringidos a una localización ja como el receptor de referencia. Por su parte, el receptor de referencia y el conjunto de elementos auxiliares como la antena, el equipo de procesamiento y el emisor de correcciones, son llamados Estación de Referencia. Cuando dos receptores están en localizaciones cercanas, los errores observados en la señal de cada satélite serán similares en ambos puesto que la señal recorre trayectos 16 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS parecidos. Desde la estación de referencia se observan en tiempo real las señales GPS y se comparan con las esperadas por estar en una localización previamente conocida. De su diferencia se calculan las llamadas correcciones diferenciales, pudiéndose clasicar los sistemas diferenciales por los parámetros utilizados para el cálculo de dichas correcciones. Los basados en las diferencias entre las pseudodistancias esperadas y las reales se denominan sistemas RCD (del inglés Ranging-Code Dierential) o simplemente DGPS. Si están basados en las diferencias en la fase de la señal portadora se denominan sistemas CPD (del inglés Carrier-Phase Dierential) o RTK (del inglés Real-Time Kinematic). Una vez calculadas las correcciones diferenciales estas han de ser transmitidas a los receptores móviles. Según los medios empleados en dicha transmisión variará el área geográca de inuencia del sistema, lo que nos permite una nueva clasicación de estos sistemas. Los sistemas de área local, con un rango de hasta 100km y una única estación de referencia, y los de área regional, con múltiples estaciones cuyo efecto se promedia y hasta 1000km, utilizan medios como la radio FM o la telefonía móvil. Los sistemas de área extendida utilizan satélites geoestacionarios y tienen un ámbito continental, pero para proporcionar correcciones a una extensión tan amplia necesitan algoritmos modicados que modelan las fuentes de error según los datos proporcionados por las correcciones de todas sus estaciones. Los receptores DGPS, una vez disponen de las correcciones diferenciales, las combinan con sus medidas de pseudodistancias de forma que se eliminan los errores comunes a ambos receptores pero, para que sea cierta esta mejora de la precisión, los receptores móviles tienen que usar de forma simultánea el mismo conjunto, o un subconjunto, de los satélites para los que tiene correcciones. Los errores comunes incluyen los retardos en la señal por su paso por la atmósfera, y los errores producidos en los satélites, tanto en el reloj de cada satélite como en sus efemérides. Para usuarios del servicio PPS, los errores en los datos de los satélites son residuales y están presentes normalmente en la solución PVT. Para los usuarios del servicio SPS, los errores comunes por los datos del satélite también incluirían los introducidos por la función SA cuando esta todavía estaba habilitada. Los errores que son únicos a cada receptor, como el ruido en las medidas y los posibles efectos por multicamino en la recepción de la señal, no pueden ser eliminados por este método. 2.3. Error del sistema GPS La precisión del sistema GPS depende de numerosos factores con complejas relaciones pero, de forma general y bajo suposiciones apropiadas, se puede expresar como el produc- to de dos factores variables con el tiempo, uno que corresponde con el error en la medida de las pseudodistancias, que llamaremos UERE (del inglés User Equivalent Range Error), y otro que tiene en cuenta la geometría de los satélites usados en la solución PVT y que denominaremos DOP (del inglés Dilution of Precision): (Error en la soluci´on GP S) = DOP ·UERE Cuando analizamos los efectos de los errores en las medidas de la pseudodistancia es 17 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS the better the satellite geometry, and vice versa. Figure 3.7 shows a simple graphical explanation of the satellite geometry effect using two satellites [assuming a two-dimensional (2-D) case]. In such a case, the receiver will be located at the intersection of two arcs of circles; each has a radius equal to the receiver-satellite distance and a center at the satellite itself. Because of the measurement errors, the measured receiver-satellite distance will not be exact and an uncertainty region on both sides of the estimated distance will be present. Combining the measurements from the two satellites, it can be seen that the receiver will in fact be located somewhere within the uncertainty area, the hatched area. It is known from statistics that, for a certain probability level, if the size of the uncertainty area is small, the computed receivers position will be precise. As shown in Figure 3.7(a), if the two satellites are far apart (i.e., spread out), the size of the uncertainty area will be small, resulting in good satellite geometry. Similarly, if the two satellites are close to each other [Figure 3.7(b)], the size of the uncertainty area will be large, resulting in poor satellite geometry. The satellite geometry effect can be measured by a single dimensionless number called the dilution of precision (DOP). The lower the value of the DOP number, the better the geometric strength, and vice versa [3, 8]. The DOP number is computed based on the relative receiver-satellite geometry at any instance, that is, it requires the availability of both the receiver and the satellite coordinates. Approximate values for the coordinates are 40 Introduction to GPS (a) (b) Figure 3.7 (a) Good satellite geometry; and (b) bad satellite geometry. T Figura 2.5.: Efectos de la geometría de los satélites. Reproducido de [10] lógico suponer que las distintas fuentes de error se acaban trasladando a errores equivalentes en las medidas de las pseudodistancias. De esta manera el UERE es una medida de la precisión efectiva en el cálculo de la pseudodistancia de cada satélite tal y como es visto por el receptor. El UERE varía por los cambios aleatorios en la señal del satélite, en las características del medio de propagación de la señal y en los procesos de medida del receptor. Para cada satélite dado, el UERE se considera como la suma de las contribuciones de cada fuente de error asociada con el satélite y en el largo plazo (de días a meses [11]) se asemeja a una distribución Gausiana de media cero, de forma que su varianza es igual a la suma de las varianzas de sus componentes. De este modo el UERE se asume independiente y con distribuciones idénticas para cada satélite, por lo que tenderá a ser diferente para cada satélite en cualquier instante. En la Figura 2.5 se muestra esquemáticamente cómo la incertidumbre en la posición depende, no solo del error en la medida de la pseudodistancia, sino también de la geometría de los satélites con respecto al receptor. Este efecto lo cuantica el DOP, una medida instantánea de cómo la medida del error en la distancia, se traduce en un error en la posición, dependiendo de la geometría de la posición de los satélites conforme son vistos por el receptor. DOP es un factor adimensional que varía en el tiempo porque los satélites están en continuo movimiento y por tanto su relación geométrica también cambia constantemente. El DOP promedio que experimentan los usuarios tiende a producir un error con distribución circular si sólo tenemos en cuenta el plano horizontal, mientras que su componente vertical suele ser un 50% mayor. Sin embargo, su valor instantáneo suele ser asimétrico en las tres dimensiones y variar rápidamente. Este hecho no es óbice para que, debido a la sencillez de su medida, se use como ayuda para la selección de los satélites que participarán en la solución PVT. El DOP no tiene una distribución Gausiana, especialmente en los extremos de la distribución, al contrario que el UERE que empíricamente ha sido caracterizada como tal. Cuando hablamos de la posición lo denotamos por PDOP (del inglés Positional DOP) y relaciona las desviaciones estándar de los errores en las pseudodistancias con la de los 18 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS errores en el cálculo de la posición: σErrorEnP osici´on3D=qσ2 E+σ2 N+σ2 h=P DOP ·σUERE Si sólo estamos interesados en las componentes horizontal o vertical de la solución podemos denir los DOP Horizontal y Vertical: HDOP =qσ2 E+σ2 N σUERE V DOP =qσ2 h σUERE =σh σUERE 2.3.1. Fuentes de error en las medidas de las pseudodistancias Las principales fuentes de error en los receptores GPS no diferenciales son: 1. Errores en las Efemérides: Este error se produce por la diferencia entre la localización real del satélite y la posición indicada por las efemérides. 2. Error en el Reloj del Satélite: Este error es debido a la diferencia entre el tiempo GPS real del satélite y el predicho por los datos emitidos por el satélite. 3. Errores por la Disponibilidad Selectiva (SA): Mientras estaba activa, hasta Mayo de 2000, el mensaje de navegación era degradado intencionadamente para no mejorar la precisión ocial del servicio SPS. Estos errores se asemejaban a los que ocurren naturalmente en las efemérides y reloj del satélite pero variaban mucho más rápidamente y con mayor magnitud. 4. Retardo Ionosférico: El retardo de la señal por la ionosfera varía de forma diferente según sea de día o de noche. En los receptores con frecuencia dual no es un problema ya que pueden comparar ambos caminos y corregir esta fuente de error a un valor residual. Esto no es posible con los receptores monofrecuencia (es decir, los usuarios del servicio SPS), por lo que el mensaje de datos de navegación del satélite contiene coecientes de corrección para reducir esta fuente de error mediante un algoritmo apropiado. 5. Retardo Troposférico: Muchos receptores emplean algoritmos de corrección para minimizar los efectos del retardo en la señal provocado por la presencia de humedad en esta zona. 2.3.2. Efectos de las correcciones diferenciales Los errores y sesgos inducidos anteriormente descritos pueden ser paliados mediante las técnicas DGPS de la siguiente manera: 19 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS 1. Errores en las Efemérides: Este error es compensado con efectividad a no ser que tenga un importante componente fuera de rango (por ejemplo 1000m o más debido a un error en el mensaje de datos de navegación). Incluso entonces, el error será pequeño si la distancia entre el receptor móvil y la estación de referencia es pequeña. 2. Error en el Reloj del Satélite: En todos los propósitos prácticos, este error es completamente compensado en tanto en cuanto los receptores de referencia y del usuario empleen los mismos datos de correcciones del reloj del satélite. 3. Errores por la Disponibilidad Selectiva (SA): Son efectivamente eliminados al asemejarse a los errores de efemérides y de reloj del satélite que ocurren normalmente, dejando sólo términos residuales de error. 4. Retardos Ionosférico y Troposférico: Para usuarios cercanos a la estación de referencia, los respectivos caminos de la señal desde los satélites son sucientemente cercanos para que la compensación sea casi completa. Conforme la separación entre el usuario y la estación de referencia se incrementa, los diferentes caminos de la señal desde los satélites a ambos receptores puede estar lo sucientemente alejados como para que ambos retardos no produzcan errores comunes y la efectividad de las correcciones para este error disminuye. La correlación de los errores experimentados en la estación de referencia y en el receptor del usuario es dependiente de la distancia entre ambos, pero normalmente están altamente correlados si esta distancia es menor de 350km [12]. Los errores atmosféricos pueden ser eliminados si el usuario está sucientemente cerca de la estación, pero si están separados por más de 250km, el usuario obtendrá mejores resultados usando modelos de correcciones para los retardos ionosférico y troposférico. Estos 250km marcan una división razonable para determinar la lejanía o cercanía con la estación de referencia. 2.3.3. Balance de errores en la pseudodistancia El estudio de las distintas causas de error que afectan a las medidas de las pseudodistancias por parte del receptor GPS nos proporciona un conjunto de límites en las magnitudes del error provocado por dichas causas. La Tabla 2.1 proporciona un listado de la estimación de dichos valores [13, 14]. 20 2. Introducción a los sistemas GPS y DGPS Tabla 2.1.: Tabla de balance de errores en la pseudodistancia Segmen- to Fuente de error PPS 1 σ (m) SPS 1 σ (m) SPS con Diferencial de Área Local 1 σ (m) Espacio / Control Estabilidad del reloj del satélite 1,1 1,1 0,0 Retardo de grupo L1 P(Y)-L1 C/A 0,3 0,0 Error de predicción de efemérides 0,8 0,8 0,10,6mm/km × distancia en km Usuario Retardo ionosférico 0,1 7,0* 0,24cm/km × distancia en km Retardo troposférico 0,2 0,2 14cm/km × distancia en km Ruido del receptor y resolución 0,1 0,1 0,1 Multicamino 0,2 0,2 0,3 UERE Total (RSS) 1,4 7,1* 0,3m + 16cm/km × distancia en km *Los errores ionosféricos residuales tienden a estar altamente correlados entre los distintos satélites por lo que los errores en la posición resultantes son menores que los predichos por la formula DOP ·UERE 21 3. Equipos y protocolos Para la realización del proyecto es necesario un receptor GPS que tenga capacidad para funcionar con el sistema DGPS. El Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones de la Universidad de Zaragoza dispone de un par de modelos con las capacidades necesarias para completar los objetivos de este proyecto. Estos receptores GPS son los modelos Placer 455/DR y Lassen-SK8 de la marca Trimble, cuyas hojas de características están reproducidas en el Apéndice E. Ambos equipos tienen unas especicaciones similares, por lo que podrían utilizarse indistintamente. En concreto estos equipos disponen de un puerto serie desde el que poder controlarlos mediante una computadora y de otro puerto adicional por el que enviarles las correcciones diferenciales con las que dicho equipo pueda aplicar los algoritmos DGPS. 3.1. Modelo de receptor GPS utilizado El receptor GPS principalmente utilizado durante la realización del proyecto es un equipo de la marca Trimble modelo Placer 455/DR. Se trata de un modelo destinado al seguimiento de otas de automóviles que dispone, entre otras funciones, de un puerto serie etiquetado como MDT para el control del dispositivo mediante un ordenador, y otro etiquetado como RTCM para el paso de los datos de las correcciones diferenciales. Existen puertos adicionales pero no se han empleado para la realización de este proyecto. Las múltiples posibilidades de conguración del receptor lo hacen ciertamente exible como herramienta multifuncional para el estudio del sistema GPS. Para la comunicación del PC con el receptor GPS disponemos de múltiples protocolos. TAIP es un protocolo basado en texto que permite una puesta en marcha inicial sencilla y rápida del equipo conectándolo a un terminal. Para un control más exhaustivo del funcionamiento del receptor podemos congurar, y posteriormente utilizar, el protocolo TSIP. Aunque mediante ambos protocolos se pueden enviar los datos de correcciones diferenciales para que los emplee en el modo DGPS del cálculo de soluciones, lo habitual es enviarlos utilizando el protocolo RTCM por su puerto serie especíco. 3.2. Protocolos de comunicación con el receptor GPS La variedad de protocolos de comunicación que pueden implementar los distintos receptores GPS, así como las diferentes versiones que han ido publicándose con el paso del tiempo y la habitual incapacidad de actualizar su rmware por tratarse de dispositivos embebidos, hace imposible que todos los receptores soporten las diferentes versiones de 22 3. Equipos y protocolos los distintos protocolos, siendo además habitual que sólo implementen partes seleccionadas de estos. Por esta razón es corriente que en los manuales de cada dispositivo se incluya la documentación especíca de los diferentes mensajes soportados. En el caso del Placer 455 el Manual de Instalación y Operaciones [15] documenta en el Apéndice A el protocolo TAIP soportado, mientras que en el Manual de Referencia del protocolo TSIP [16], genérico para varios modelos de receptores, se documenta en el Apéndice D las partes soportadas de los protocolos TSIP (descrito en los Capítulos 1 al 3) y NMEA (descrito en el Apéndice F). Por su parte el Manual de Referencia del Diseñador de Sistemas del Lassen SK8 [17] documenta el protocolo TSIP soportado en el Apéndice A, el protocolo TAIP en el Apéndice C y el NMEA en el Apéndice E. 3.2.1. NMEA 0183 (National Marine Electronics Association 0183) Es el protocolo estándar para la comunicación, por parte de los dispositivos receptores, de los datos GPS como pueden ser las soluciones PVT calculadas o el estado del servicio. NMEA es un protocolo implementado por prácticamente todos los equipos, lo que nos permite generalizar la toma de datos a cualquier tipo de receptor. Sin embargo, los fabricantes de receptores GPS no suelen implementar, mediante este protocolo, métodos para realizar cambios en la conguración de dichos receptores, por lo que se necesita implementar protocolos adicionales para poder controlarlos. Los mensajes NMEA son simples cadenas de texto ASCII con campos delimitados por comas. El carácter '$' sirve como delimitador de inicio y se naliza con los caracteres CR y LF. Tras el carácter inicial aparece una cadena de 5 caracteres de los cuales los 2 primeros identican al equipo al que va dirigido el mensaje y los 3 siguientes que identican el tipo de mensaje. A partir de este siguen los distintos campos de datos del mensaje precedidos por el carácter ',' que actúa como delimitador de dichos campos. Tras los datos puede aparecer un checksum opcional que es precedido en este caso por el carácter '*'. El número máximo de caracteres por mensaje, incluyendo los delimitadores iniciales y nales, es de 82. Los mensajes NMEA más habituales se describen a continuación: GGA Proporciona la información del tiempo y posición de la solución además de alguna información relacionada con esta. GSA Detalla el modo de calculo de la solución, los satélites utilizados y los valores DOP resultantes. VTG Da información de la velocidad sobre el suelo y el rumbo seguido por el receptor. ZDA Proporciona toda la información necesaria para conocer la fecha y el tiempo en formato UTC. 23 3. Equipos y protocolos 3.2.2. TAIP (Trimble ASCII Interface Protocol) TAIP es un protocolo basado en caracteres ASCII imprimibles que permite la comunicación con los receptores Trimble a través de un puerto serie. Al estar basado en texto plano permite un pronto establecimiento de la comunicación sin necesidad de programas especícos, solamente es necesario usar un programa estándar de comunicaciones por puerto serie como HyperTerminal o Minicom. TAIP soporta tanto respuestas inmediatas a peticiones del usuario como el establecimiento de respuestas programadas en un intervalo congurable por el usuario. En los mensajes TAIP los caracteres '>' y '<' se usan para delimitar el contenido del mensaje. El primer carácter es el calicador del mensaje y especica si es un comando de conguración o petición de esta, una respuesta o uno de los distintos tipos de mensajes automáticos. El siguiente par de caracteres indican el tipo de mensaje y luego le siguen los datos del contenido del mensaje. Opcionalmente puede aparecer un identicador del receptor al que va dirigido el mensaje, el puerto por el que se realizará la comunicación y un checksum del contenido del mensaje. Los siguientes tipos de mensajes TAIP nos permitirán vericar la conguración de los interfaces del receptor y, en caso necesario, habilitar el uso del protocolo TSIP: VR Proporciona información del modelo del receptor GPS. PR Se usa para controlar que protocolos están activos en cada uno de los puertos, pudiendo llegar a ser diferentes entre la entrada y salida de cada puerto. PT Este mensaje dene las características del puerto TAIP por el que nos estamos conectando en estos momentos. AP Proporciona el medio para congurar los distintos puertos del receptor. Al ser un protocolo basado en texto la eciencia en la transmisión no es muy elevada, por lo que se han añadido dos mensajes binarios adicionales que codican sus datos de forma más compacta, el XS (que proporciona información de la posición) y el XT (que da la solución PVT e información sobre el estado del receptor). Además, el mensaje XS ni siquiera sigue el formato de mensaje anteriormente descrito, estando formado por un identicador inicial (el byte 0xBE) y 10 bytes de datos. 3.2.3. TSIP (Trimble Standard Interface Protocol) TSIP es un protocolo binario desarrollado por Trimble para la comunicación con sus receptores GPS que permite un control prácticamente exhaustivo de las funciones del receptor. La comunicación con el receptor se basa en paquetes de longitud variable delimitados por el carácter inicial DLE y terminados por la secuencia DLE ETX. Para evitar la posible aparición del carácter DLE en los contenidos del paquete se utiliza ese mismo carácter como padding (técnica que consiste en añadir un carácter de control que marca que el siguiente es un byte de datos y no otro carácter de control). Tras el carácter que marca el inicio del paquete, se envía el byte Packet ID que especica el tipo de paquete enviado y a continuación aparecerían los datos del paquete. 24 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Figura 4.1.: Ventana principal de AnalizadorDGPS 31 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Menú principal Permite cambiar opciones de conguración y activar el Log. Equipamiento GPS Selecciona el tipo de receptor GPS al que nos conectaremos. Puerto de control Conexión con el puerto que utilizaremos para la comunicación principal con el GPS. Puerto de datos Conexión con el puerto por el que se enviarán las correcciones. Conguración DGPS-IP Conexión con los servidores de correcciones diferenciales. Banco de pruebas Establece los parámetros para la captura de datos del receptor. Barra de estado Indica el comando ejecutado en el modo automático de funcionamiento. Los distintos elementos de la ventana principal se activan o desactivan automáticamente de forma que, en cada momento, sólo está disponible la funcionalidad que tiene sentido. Un ejemplo de este funcionamiento se observa en la elección del receptor GPS conectado físicamente, pudiendo seleccionarse entre los distintos modelos de GPS, una opción Desconocido para un modelo genérico y, cuando no tenemos nada conectado, la opción Ninguno que deshabilita la comunicación por los puertos serie. Una vez seleccionado el modelo de receptor, se permite congurar los parámetros de conexión del puerto de control y los protocolos a usar, momento en el cual se puede abrir dicho puerto y proceder al envío y recepción de mensajes. Del mismo modo, una vez activada la conexión no se permite cambiar la conguración del puerto ni el modelo de receptor conectado. Igualmente sucede con el puerto de datos y las conexiones a los servidores diferenciales. Es la ventana principal la encargada de mantener el estado de la aplicación y lanzar o cerrar, en el momento oportuno, los hilos para la comunicación por los distintos canales. Así mismo, en el modo automático, se encarga de la ejecución del script de pruebas, lanzando y cerrando los hilos de conexión de los diferentes canales. Adicionalmente, la ventana principal permite controlar los datos a almacenar en las pruebas, modicar parámetros de funcionamiento del programa mediante Conguración . Preferencias , y crear un archivo de registro con lo sucedido durante su ejecución con Archivo . Log . 4.2. Conexión y recepción por el puerto de control La comunicación por el puerto de control se apoya en tres variables de estado, siendo la primera la instancia del recurso C# de puerto serie que emplearemos en la comunicación con el GPS, la siguiente contiene todos los parámetros necesarios para establecer la comunicación y la última indica si el puerto está conectado en ese momento. Como el acceso a estas variables se pueden realizar desde distintos hilos, hay que tener sumo cuidado a la hora de su lectura y modicación. Esta es una constante a lo largo del programa que se ha solucionado mediante técnicas como el bloqueo del acceso concurrente mediante instrucciones lock o el modicador volatile cuando se trata de una variable simple modicada desde un único lugar. 32 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Figura 4.2.: Ventana de conguración del puerto serie Cuando se inicia la ventana principal el nombre del puerto seleccionado es Ninguno , indicando una conguración inválida. Esta se realiza mediante el diálogo modal de con- guración mostrado en la Figura 4.2. Dicha ventana, pudiendo actuar igualmente sobre los puertos de control y datos, modica la variable de los parámetros de conguración del puerto correspondiente al establecerse este en las propiedades del diálogo antes de que se muestre por pantalla. Los protocolos de entrada y salida seleccionables también dependen del puerto, de forma que la elección del protocolo Ninguno deshabilita ese sentido de la comunicación para el programa, mientras que Desconocido permite ver el tráco sin decodicarlo. Congurado el puerto, o si ya lo estaba anteriormente, se puede proceder al establecimiento de la conexión con el botón Abrir puerto , correspondiente a la etiqueta 3 del diagrama de bloques de la comunicación por el puerto de control mostrado en la Figura 4.3. En este momento el botón cambia a Abriendo puerto y se lanza el hilo de conexión del puerto de control que, en primer lugar, procede a la apertura del puerto propiamente dicha. Si no se producen problemas avisa a la ventana principal (etiqueta 5) para que cambie el botón a Cerrar puerto y actualice la variable del estado de la conexión. Con la conexión establecida, el hilo receptor se queda a la espera de recibir datos en su buer. Si no llegan durante un periodo congurable, comprueba que el usuario no haya mandado salir (etiqueta 6) y continua con la espera hasta su recepción. Una vez recibidos datos en el buer se revisan en busca de paquetes del protocolo de entrada congurado, de forma que posteriormente se decodican y procesan. El ciclo continúa indenidamente hasta que llega la orden de cierre del puerto, momento en que se cierra el canal y naliza la ejecución del hilo. Cuando la ventana principal se entera de este evento (etiqueta 8), actualiza su estado convenientemente. 33 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Recepción del Puerto de control GPS Puerto Serie Transmisión por el Puerto de control Ventana Enviar Ventana Principal Ventana Visualizar Tráfico Captura de Datos Log Cola de transmisión Cola de visualización 3 4 5 6 7 2 14 9 10 11 12 B B B B B A A C A LEYENDA: A.- Datos enviados y recibidos B.- Paquetes creados con datos C.- Datos a capturar 1.- Lanza hilo TX al inicio 2.- Temporizador TimerBatch 3.- Lanza hilo RX (Abrir puerto) 4.- Lanza hilo RX (Orden Abrir) 5.- Evento de progreso - Conectado 6.- Señal salir hilo RX (Cerrar puerto) 7.- Señal salir hilo RX (Orden Cerrar) 8.- Evento de finalización 9.- Abre ventana Enviar (Enviar) 10.- Orden Enviar 11.- Cierra ventana Enviar (Cerrar puerto) 12.- Abre ventana Visualizar (Ver tráfico) 13.- Señal paquete a TX 14.- Señal salir hilo TX (Cerrar aplicación) B 8 1 13 Figura 4.3.: Diagrama de bloques de la comunicación por el puerto de control 34 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS 4.3. Decodicación del tráco AnalizadorDGPS implementa los distintos protocolos mediante la clase Paquete que proporciona campos para almacenar el contenido del mensaje, su protocolo y los tiempos de su paso por diversos puntos del programa. Además proporciona métodos para su decodicación y representación en pantalla y sirve como base para implementar versiones para protocolos especícos. La detección del paquete en el buer de recepción depende del protocolo utilizado. Un paquete TAIP está compuesto por los bytes incluidos entre sus caracteres de inicio y n, ambos inclusive, y que son los que se pasan en la creación de la instancia especíca de ese paquete. Si el protocolo es Desconocido es aún más sencillo ya que se incluye el buer completo en el paquete. Para NMEA también basta con detectar los respectivos caracteres de inicio y n, mientras que con TSIP hay que tener en cuenta el efecto del padding. En ambos casos se han programado los múltiples tipos de paquetes del protocolo, por lo que necesitan de pasos adicionales. Primero se realiza una vericación de su longitud y checksums en caso de tenerlo y posteriormente se decodica mientras se crea la instancia del tipo de paquete adecuado. Si uno de estos pasos falla se indica marcándolo como paquete desconocido. En cualquier caso, el empleo de técnicas de programación orientada a objetos nos permite reutilizar el código que realiza el tratamiento de los distintos paquetes y su representación por pantalla. 4.4. Transmisión por el puerto de control A la vez que se activa la conexión del puerto serie, se habilita el botón Enviar para la transmisión manual de paquetes por parte del usuario. Al pulsar dicho botón (etiqueta 9 de la Figura 4.3) aparece una ventana cuya funcionalidad depende del protocolo de salida congurado para el puerto y que se muestra en la Figura 4.4. Para el caso de los protocolos TAIP y Desconocido , se trata de una ventana genérica que permite el envío de simples cadenas de texto o mensajes codicados hexadecimalmente. Además proporciona un listado de los mensajes que han tratado de enviarse y métodos para guardarlos a chero o borrarlos. Si el protocolo congurado es TSIP una ventana similar, creada mediante herencia visual de la anterior, permite solamente el envío de paquetes con formato TSIP. Con la pulsación del botón Enviar de la ventana de transmisión el mensaje del usuario se codica en una instancia del tipo de paquete adecuado y se introduce en una cola de transmisión especíca. El proceso de transmisión se apoya en la coordinación de dicha cola, que almacena los paquetes a transmitir, y un hilo especíco para su envío. Este es lanzado durante el inicio de la ejecución de AnalizadorDGPS (etiqueta 1) y queda a la espera de paquetes a transmitir. Inmediatamente tras el encolado de un paquete se activa el hilo de transmisión y se produce el envío por el puerto de dicho paquete y los que hayan llegado mientras tanto. Aparte del evento de nuevo paquete a enviar (etiqueta 13), el hilo transmisor queda igualmente a la espera de la señal de salida de la aplicación 35 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Figura 4.4.: Ventana de transmisión (etiqueta 14) para nalizar de forma controlada su ejecución. En la ventana principal, la apertura del puerto de control también habilita el botón Reiniciar el GPS a su conguración por defecto que se encarga del envío, en cualquier momento, de un conjunto de mensajes congurables desde Conguración . Preferencias por el usuario. 4.5. Visualización del tráco Los paquetes enviados y los recibidos, una vez han sido procesados, se envían a una cola especíca para su visualización. Esta es una cola FIFO y una vez alcanza su capacidad máxima, congurable por el usuario, automáticamente elimina paquetes antiguos antes de encolar nuevos. Así siempre contiene el tráco más reciente que ha circulado por el enlace. La ventana de visualización, activada mediante el botón Ver tráco (etiqueta 12 de la Figura 4.3) y mostrada en la Figura 4.5, se encarga de su representación en pantalla. Los distintos paquetes se representan en cada la de una rejilla de que sincroniza periódicamente los datos representados en pantalla con el contenido de la cola de visualización anteriormente descrita. La representación por pantalla depende de las características de cada paquete, indicándose mediante un código de colores la procedencia del paquete y, si se sitúa el cursor sobre el campo de datos del mensaje, aparecerá un cuadro con la descripción detallada del paquete. 36 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Figura 4.5.: Ventana de visualización del tráco 4.6. Comunicación por el puerto de datos La Figura 4.6 muestra el diagrama de bloques de los distintos elementos que intervienen en la comunicación por el puerto de datos. Como se observa, la implementación es prácticamente idéntica a la del puerto de control así que nos centraremos en explicar sus diferencias. Al ser este el puerto de envío de correcciones, sólo tiene sentido RTCM como protocolo de salida, mientras que se permite NMEA en la recepción ya que el receptor Lassen se puede congurar de este modo. La apertura del puerto de control habilita las opciones Enlazar al servidor 1 y Enlazar al servidor 2 , que seleccionan el servidor diferencial del que se retransmitirán las correcciones al receptor. Esta funcionalidad, simplicada para un único servidor, está representada en la Figura 4.6 por el bloque magenta inferior. En ella se observa el mismo conjunto de hilo transmisor y cola de espera de paquetes, en cuyo caso son las correcciones del servidor. Sin embargo su comportamiento se ha complicado ligeramente para permitir el estudio del efecto que tiene la introducción de retardos en las correcciones retardo. Si no deseamos introducir un retardo adicional, el hilo transmisor funciona con normalidad, es decir, con cada encolado de un paquete, el hilo despierta (etiqueta 13) y procede a su envío inmediato. Pero cuando introducimos retardo, antes de enviar el paquete comprueba cuando ha de ser enviado y programa un temporizador (etiqueta 15) para que le avise en el momento adecuado. 37 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Recepción del Puerto de datos GPS Puerto Serie Transmisión por el Puerto de datos Ventana Enviar Ventana Principal Ventana Visualizar Tráfico Log Cola de transmisión Cola de visualización 2 B B B B B B A A A LEYENDA: A.- Datos enviados y recibidos B.- Paquetes creados con datos C.- Datos a capturar 1.- Lanza hilo TX al inicio 2.- Temporizador TimerBatch 3.- Lanza hilo RX (Abrir puerto) 4.- Lanza hilo RX (Orden Abrir) 5.- Evento de progreso - Conectado 6.- Señal salir hilo RX (Cerrar puerto) 7.- Señal salir hilo RX (Orden Cerrar) 8.- Evento de finalización 9.- Abre ventana Enviar (Enviar) 10.- Orden Enviar 11.- Cierra ventana Enviar (Cerrar puerto) 12.- Abre ventana Visualizar (Ver tráfico) 13.- Señal paquete a TX 14.- Señal salir hilo TX (Cerrar aplicación) 15.- TimerElapsed B Cola de reenvío de correcciones diferenciales Reenvío por el Puerto de datos 15 BB Captura de Datos C 3 4 5 6 7 9 10 11 12 8 14 1 13 13 Figura 4.6.: Diagrama de bloques de la comunicación por el puerto de datos 38 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Figura 4.7.: Conguración de los servidores diferenciales 4.7. Comunicación con los servidores diferenciales AnalizadorDGPS guarda la conguración de los distintos servidores disponibles en el chero servers.xml . Nada más iniciarse su ejecución procede a cargarlo en memoria para que el usuario pueda elegir el servidor al que conectarse mediante una lista desplegable, y en caso de que no exista crea uno con servidores por defecto. La ventana de conguración de los servidores, mostrada en la Figura 4.7, permite la administración gráca de este chero. La Figura 4.8 muestra el diagrama de bloques de los distintos elementos que intervienen en la comunicación con una estación de referencia. A grandes rasgos el funcionamiento sigue siendo similar por lo que nos centraremos en sus diferencias, entre las que el método de conexión es su mayor exponente. Al tratarse de comunicación TCP/IP el recurso utilizado para establecer la comunicación es un socket. Una vez conectados a la dirección del servidor, hemos de enviarle un mensaje inicial con el MountPoint deseado y las credenciales conguradas para dicho servidor. Si los datos no son correctos el hilo receptor procederá a su nalización, pero si la respuesta es armativa quedará a la espera de nuevos datos que corresponderán a las correcciones en formato RTCM. Estos datos se empaquetan directamente y se envían a la cola de retransmisión correspondiente a su servidor momento en el que se procede con su envío, tal y como hemos visto en la Sección 4.6, siempre y cuando sea este el servidor seleccionado para proporcionar las correcciones y el puerto de datos esté debidamente conectado. La transmisión de datos a los servidores por parte del usuario está disponible mediante paquetes NMEA, ya que es el protocolo empleado en el establecimiento de la comunicación con las estaciones de referencia virtuales. 39 4. Estructura de la aplicación AnalizadorDGPS Recepción del Socket TCP/IP Servidor DGPS-IP Socket TCP/IP Transmisión por el Socket TCP/IP Ventana Enviar Ventana Principal Ventana Visualizar Tráfico Log Cola de transmisión Cola de visualización 2 B B B B B A A A LEYENDA: A.- Datos enviados y recibidos B.- Paquetes creados con datos 1.- Lanza hilo TX al inicio 2.- Temporizador TimerBatch 3.- Lanza hilo RX (Conectar al servidor) 4.- Lanza hilo RX (Orden Conectar) 5.- Evento de progreso - Conectado 6.- Señal salir hilo RX (Desconectar) 7.- Señal salir hilo RX (Orden Desconectar) 8.- Evento de finalización 9.- Abre ventana Enviar (Enviar) 10.- Orden Enviar 11.- Cierra ventana Enviar (Desconectar) 12.- Abre ventana Visualizar (Ver tráfico) 13.- Señal paquete a TX 14.- Señal salir hilo TX (Cerrar aplicación) 15.- TimerElapsed B Cola de reenvío de correcciones diferenciales Reenvío por el Puerto de datos B B 3 4 5 6 7 9 10 11 12 8 14 1 13 15 13 Figura 4.8.: Diagrama de bloques de la comunicación con un servidor diferencial 40 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) Satélites Número de satélites visibles 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) PDOP PDOP de la solución 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) HDOP HDOP de la solución 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) VDOP VDOP de la solución Figura 5.2.: Calidad de la solución. Receptor sin correcciones medios no superan los niveles razonables [11] ( P DOP = 3,45 <6 , HDOP = 2,02 <4 y V DOP = 2,61 <4,5 ), coincidiendo naturalmente sus mayores magnitudes cuando baja el número de satélites visibles. En el mismo escenario se procede a realizar mediciones con correcciones diferenciales. Aunque existe una estación de referencia en la propia localidad de Alcañiz, hemos de descartarla por proporcionar únicamente RTCM v3 que no reconocen nuestros receptores. Es su lugar utilizamos como referencia la estación Zaragoza_23 situada a 88km de distancia. La Figura 5.3 muestra sus resultados, apreciándose una mejora de la precisión horizontal aunque no así en la vertical. Respecto a la calidad del servicio GPS durante la prueba es algo mejor resultando los valores P DOP = 3,14 , HDOP = 1,68 y V DOP = 2,57 . También se reeja la perdida del funcionamiento DGPS hasta un 3,41 % del tiempo. En su mayor parte el grueso de la perdida de disponibilidad se explican por la perdida de la conexión al servidor debido a microcortes en el router con un 85 % del total correspondiente a dos de estos periodos. Su efecto se minimizó con la reconexión periódica al servidor. Para nalizar la última gráca 47 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS presenta una comparativa de la precisión con la prueba sin correcciones representada en color magenta. Por último realizamos nuevas pruebas con diversas estaciones. Se eligió Fraga_23 por ser la más cercana a nuestra posición mientras que Rioja_23 y Sonseca_23 estaban en los límites comentados en la Subsección 2.3.2. Las Figuras 5.4, 5.5 y 5.6 muestran sus resultados respectivos para los errores en el plano horizontal y en la altura. De nuevo el color magenta sirve como comparativa con los resultados de la prueba sin correcciones. La Tabla 5.1 proporciona la caracterización del error en la posición 2D de las pruebas realizadas con diferentes estaciones diferenciales. El signicado de las columnas de dicha tabla está especicado en el Apéndice B.1. Como era de esperar, el valor del drms mejora con la cercanía a la estación de referencia, reduciendosé hasta en dos tercios usando una estación a 60km de distancia y a prácticamente la mitad con una situada a 250km. Más allá aunque todavía mejora habría que estudiar si la complicación del sistema merece la pena. Y es que estamos partiendo de que la precisión proporcionada por el GPS sin correcciones es ciertamente muy buena, mucho mejor que las especicaciones originales del sistema incluso en su versión militar (Ver Apéndice B.5). Tabla 5.1.: Caracterización estadística de los errores según la distancia, según el error drms, el sesgo bidimensional ( b2D ) y la varianza de las medidas ( σ2D ) Estación drms (m) b2D (m) σ2D (m) Fraga_23 0,639 0,606 0,202 Zaragoza_23 0,796 0,789 0,102 Rioja_23 0,902 0,892 0,132 Sonseca_23 1,163 1,158 0,110 Sin correcciones 1,732 1,718 0,221 Los parámetros de la calidad operativa de las pruebas se listan en la Tabla 5.2. Utilizando estos valores junto con los de la tabla anterior se puede comprobar que el error obtenido en cada una de las pruebas es mucho menor que los establecidos por el balance de las componentes de error en la pseudodistancia que aparecía en la Tabla 2.1, no ya en sus máximos sino también en sus mínimos. Nótese que es uso o nó de correcciones diferenciales no afecta a los valores DOP. 5.2. Comportamiento con visibilidad reducida En esta prueba se pretende estudiar el comportamiento del sistema simulando un uso real con dicultades de visibilidad por edicios, arbolado, etc. Se realizarán dos pruebas, una sin correcciones y otra con las correcciones de Zaragoza_23, ambas en la ubicación descrita en el Apéndice D. La Figura 5.7 muestra los resultados para la prueba sin correcciones. Los problemas de 48 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) Satélites Número de satélites visibles 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) PDOP PDOP de la solución 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1.5 2 2.5 3 3.5 Tiempo (h) Modo DGPS Activación del modo DGPS −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas Figura 5.3.: Correcciones de Zaragoza_23 49 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas Figura 5.4.: Correcciones de Fraga_23 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas Figura 5.5.: Correcciones de Rioja_23 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas Figura 5.6.: Correcciones de Sonseca_23 50 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS Tabla 5.2.: Parámetros de calidad de los resultados según la distancia Estación PDOP HDOP VDOP Disponibilidad DGPS Fraga_23 3,079 1,699 2,475 97,609 % (99,230 %) Zaragoza_23 3,146 1,681 2,579 96,586 % (99,505 %) Rioja_23 3,360 1,976 2,543 95,305 % (98,479 %) Sonseca_23 3,506 2,018 2,668 99,236 % Sin correcciones 3,458 2,025 2,612 - cobertura son maniestos en el PDOP y el número de satélites visibles por el receptor, con una mediana de sólo 3 y muchos momentos con 2 e incluso un único satélite a la vista. Esta dicultad en el trabajo del receptor se muestra por el reinicio del sistema a las 16 horas del inicio de la prueba y un periodo transitorio correspondiente. Para el cálculo de los parámetros estadísticos de la solución se desecharán las muestras tomadas a partir de este momento. En la gráca del PDOP se observa como sobrepasa en bastantes ocasiones el valor de 8, momento en que el GPS está congurado para cambiar los satélites usados en la solución pero que no puede realizar por la mala visibilidad. En la prueba con correcciones de Zaragoza_23 mostrada en la Figura 5.8 de nuevo la poca visibilidad provoca el reinicio del receptor aunque la gráca del PDOP muestra que las condiciones en que se realizó la prueba mejoraron ligeramente en relación a la prueba sin correcciones. Siguiendo el mismo patrón de colores, el magenta corresponde a los resultados sin correcciones diferenciales. De nuevo, como se observa en la Figura 5.3, el empleo de correcciones diferenciales mejora la precisión conseguida con el sistema GPS, aunque con un servicio GPS básico consiguiendo valores de drms cercanos a 1m, o lo que es lo mismo, que en el 95 % de los resultados el error es menor a los 2m, se necesitan aplicaciones con requisitos de precisión elevados para justicar la necesidad de un sistema DGPS. Tabla 5.3.: Caracterización estadística de los errores en la posición con visibilidad reducida. Se muestran el error drms, el sesgo bidimensional ( b2D ) y la varianza de las medidas ( σ2D ) Estación drms (m) b2D (m) σ2D (m) Zaragoza_23 0,494 0,470 0,152 Sin correcciones 0,998 0,923 0,380 Las guras de calidad de los resultados, reproducidos en la Tabla 5.4, muestra una disminición de la disponibilidad del DGPS explicada por la pobre cobertura. Por idéntica razón los valores de los DOP son ciertamente elevados con respecto a los que tomamos como referencia ( P DOP < 6 , HDOP < 4 y V DOP < 4,5 ), con el PDOP en el límite o 51 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 −14 −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 Tiempo (h) Error en dirección Easting (m) Error en dirección Easting de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Tiempo (h) Error en dirección Northing (m) Error en dirección Northing de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) Satélites Número de satélites visibles 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) PDOP PDOP de la solución Figura 5.7.: Visibilidad reducida y sin correcciones 52 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −5 0 5 10 15 20 25 Tiempo (h) Error en dirección Easting (m) Error en dirección Easting de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 Tiempo (h) Error en dirección Northing (m) Error en dirección Northing de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1.5 2 2.5 3 3.5 Tiempo (h) Modo DGPS Activación del modo DGPS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) PDOP PDOP de la solución Figura 5.8.: Visibilidad reducida con correcciones de Zaragoza_23 53 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS Tabla 5.4.: Parámetros de calidad de los resultados con visibilidad reducida Estación PDOP HDOP VDOP Disponibilidad DGPS Zaragoza_23 5,759 5,221 1,461 91,986 % Sin correcciones 6,963 6,592 1,174 - superándolo y el HDOP sobrepasándolo ampliamente. El VDOP sorprende por lo bajo que es cuando lo normal sería que fuese un 50 % mayor. Este comportamiento es debido a la forma de reducir la visibilidad al receptor, con las direcciones Norte y Oeste bloqueadas por las paredes de la terraza los satélites visibles se eliminan en estas direcciones de forma que no se pueden elegir conguraciones que minimizan el HDOP, todo lo contrario que con el VDOP que no es afectado de igual manera por esta cirscuntancia especíca. 5.3. Comportamiento frente al retardo de las correcciones El objetivo de este escenario es determinar como afecta a las soluciones proporcionadas por un receptor DGPS cuando se produce un retardo en las comunicaciones de las correcciones. Con la conguración del retardo por parte del programa pretendemos simular un enlace móvil que presenta dicultades en la comunicación. Por este motivo, se emplea la conexión ADSL del edicio de forma que no inuyan los efectos propios de un canal inalámbrico. En esta prueba, realizada en todo momento con las correcciones de la estación de Zaragoza, empezaremos durante un periodo de 5 horas sin introducir retardo, de esta forma volveremos a desechar las dos primeras horas para eliminar el efecto del inicio en frío del receptor y quedando un periodo de 3 horas con datos válidos. A partir de este momento se introducirá, en periodos de 3 horas, un retardo cuyo valor irá en aumento según la serie 1seg, 5seg, 15seg, 25seg y 35seg. En la Figura 5.9 se muestra el comportamiento de las soluciones calculadas por el receptor. Se observa que el periodo transitorio inicial de esta prueba se ha alargado con respecto a las pruebas realizadas anteriormente, por lo que las medidas del periodo afectado, que en este caso es el que no introduce retardo, resultarán algo peores comparativamente con el resto. Otro elemento a comentar aparece en el periodo con 15seg de retardo, el correspondiente al color magenta, y en el que se produjo una pérdida de la conexión a la estación de referencia resultando en un acortamiento de su duración. Igualmente indicar los aparentes problemas durante los periodos iniciales para funcionar en modo diferencial y que corresponden con los periodos negro y azul en los que no se introduce retardo. Sin embargo esta dicultad es aparente ya que la disponibilidad del modo diferencial para dicho periodo se ha calculado en el 99,105 %. Por su parte, indicar que la perdida del modo DGPS producida en el periodo de los 35seg de retardo es debida a que el receptor está congurado para rechazar las 54 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS Tabla 5.5.: Caracterización estadística de los errores en la posición con incremento del retardo. Se muestran el error drms, el sesgo bidimensional ( b2D ) y la varianza de las medidas ( σ2D ) Estación drms (m) b2D (m) σ2D (m) Sin retardo 0,915 0,896 0,187 1seg 0,688 0,686 0,050 5seg 0,582 0,579 0,058 15seg 0,677 0,676 0,025 25seg 0,753 0,752 0,017 35seg 0,926 0,920 0,098 correcciones más antiguas de 30seg. Aunque dicho valor es congurable por el usuario, se prerió dejar el proporcionado por el fabricante para estudiar los efectos en el modo habitual de funcionamiento del receptor GPS. Dicha funcionalidad se comprueba que realiza su labor puesto que el receptor deshabilita el modo diferencial a los 5seg de la última corrección proporcionada en el periodo anterior. La caracterización estadística proporcionada por la Tabla 5.5 muestra una mejora inicial en sus parámetros al introducir retardo. Este efecto tan paradógico se explica por la construcción de la prueba en la que el receptor comienza cada periodo con los datos ya muy precisos del anterior. Esta tendencia cambia a partir del periodo correspondiente a los 15seg de retardo empeorando el sesgo bidimensional de sus resultados. Una vez llegamos al último periodo, y el receptor por su conguración deja de funcionar en modo DGPS, sus parámetros incluso superan los valores del periodo sin retardo, y hay que recordar que estaba afectado por un periodo transitorio inusualmente prolongado. Estos 15seg. marcan un umbral en el retardo que debe permitirse en un enlace para obtener las mejores prestaciones de un sistema DGPS. 5.4. Prueba dinámica Para comprobar el funcionamiento de la aplicación con sistemas móviles reales realizamos una prueba con el receptor el el techo de coche que realizará un circuito y en la que el enlace con el servidor se producirá mediante una conexión de datos 3G. Por la propia denición del escenario no disponemos de una posición de referencia con la que comparar el error como ocurría con las pruebas anteriores, pero mediante la función de visionado de las soluciones de Google Earth en tiempo real se puede vericar de forma práctica su correcto funcionamiento. El circuito consistirá en dar una serie de vueltas al parking Norte del Campus Río Ebro. El proceso se muestra en la Figura 5.10 iniciandose en el paso de cebra inferior situado en lado opuesto de la entrada de forma que se dan tres vueltas sin correcciones 55 5. Pruebas de funcionamiento del sistema DGPS −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Error en dirección Easting (m) Error en dirección Northing (m) Error en el plano horizontal de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 −8 −6 −4 −2 0 2 4 Tiempo (h) Error en la Altura (m) Error en la Altura de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 Tiempo (h) Error en dirección Easting (m) Error en dirección Easting de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (h) Error en dirección Northing (m) Error en dirección Northing de las posiciones calculadas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1.5 2 2.5 3 3.5 Tiempo (h) Modo DGPS Activación del modo DGPS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tiempo (h) PDOP PDOP de la solución Figura 5.9.: Evolución de la solución incrementando el retardo 56 A. Guía de uso del programa sólo permite la conguración de los protocolos pertinentes para cada puerto serie, de modo que el puerto de control puede congurarse como NMEA , TAIP y TSIP y el de datos como RTCM en la transmisión y NMEA para su recepción por si el receptor soporta este modo de funcionamiento. En ambos casos si se indica como protocolo Desconocido el programa permitirá una comunicación libre con el receptor, y si se indica Ninguno el programa no se comunicará en absoluto en la dirección indicada. Con el puerto congurado, la aplicación permite el establecimiento de la comunicación con el receptor mediante el botón Abrir puerto . Una vez establecida de la comunicación el programa comenzará a decodicar el tráco recibido y habilitará el envío de datos por parte del usuario mediante el botón Enviar . Si se pulsa sobre este botón aparece una ventana con la que se pueden enviar los paquetes adecuados según el protocolo de la conexión establecida. Esta ventana ofrece un campo de texto para especicar los datos a enviar además de proporcionar un listado de los paquetes anteriormente enviados. Adicionalmente, el establecimiento de la conexión por el puerto de control habilita el botón de Reset situado en el bloque anterior. Este botón, que envía al receptor GPS una serie de comandos denidos por el usuario en la ventana de preferencias, permite restablecer rápidamente la conguración del receptor a un estado denido. Por su parte, la conexión por del puerto de datos permite el uso de las marcas Enlazar al servidor que controlan el servidor cuyas correcciones diferenciales son reenviadas al receptor. Acabando con el bloque de comunicaciones por los puertos serie, el botón Ver tráco abre una ventana con la que visualizar el tráco que circula por el enlace. Esta ventana se puede abrir en cualquier momento aunque el puerto no esté abierto ya que muestra los últimos paquetes que han circulado por dicho puerto. En caso necesario se puede proceder a guardar este listado o eliminarlo si ya no interesa. La representación de los paquetes utiliza un código de colores para indicar el ujo del tráco y permite ver la decodicación de su contenido en tiempo real. El primer control disponible en el grupo de controles de conexión a los servidores DGPS nos permite congurar el retardo con el que enviarán las correcciones diferenciales al receptor GPS. El usuario puede congurar cualquier valor desde 0, de forma que se envían los datos inmediatamente, hasta un máximo de 65.535.000 ms, valor correspondiente al límite máximo congurable en el receptor GPS. Esta gura para el retardo es el objetivo deseado a introducir, pero hay que tener en cuenta la presencia continua de un retardo de unas centésimas de segundo producido por el proceso de los datos y la baja precisión de los temporizadores disponibles. El siguiente paso sería elegir, de la lista desplegable adecuada, el servidor al que queremos conectarnos para recibir las correcciones diferenciales que enviaremos posteriormente por el puerto de datos. Podemos conectarnos hasta a dos de dichos servidores aunque sólo se enviarán los datos del servidor seleccionado por la marca de Enlazar al servidor correspondiente. Los botones de conexión, visualización y envío de paquetes proporcionan una funcionalidad idéntica a la realizada por los botones de los puertos serie. Si el servidor del que queremos las correcciones no lo tenemos precongurado simplemente hay que añadirlo en el listado de servidores mediante el botón <...> . La conguración de los distintos servidores se almacena en el archivo servers.xml . Cuando el programa se inicia por defecto busca en su mismo directorio dicho archivo 63 A. Guía de uso del programa servers.xml para cargar en memoria el listado de los servidores actualmente congurados. Si este chero no existe se crea uno nuevo con varios servidores básicos situados en Zaragoza. La ventana de conguración de servidores permite manejar dicho chero de forma gráca, proporcionando opciones para añadir o eliminar servidores individuales, e importar y exportar el listado al completo. El último grupo de controles nos permite congurar la captura de datos enviados por el GPS y su automatización. Para activar este modo automático, se ha de congurar el Script de pruebas eligiendo un chero con ordenes a ejecutar durante la prueba. Por el contrario, si este campo se deja en blanco el programa proseguirá en modo interactivo. El siguiente campo permite seleccionar el directorio en el que se guardarán los distintos archivos producidos durante la ejecución de la prueba. Para nalizar los dos últimos conguran los datos que se almacenarán en dichos archivos y su formato siguiendo la convención tradicional del departamento de Comunicaciones de la Universidad de Zaragoza. Los archivos generados con dicha estructura se denotan mediante las extensiones rtt y rtb dependiendo de si los datos se almacenan en formato texto o binario. Independientemente de ello, la primera línea de ambos tipos de cheros es una cabecera que indica, mediante caracteres ASCII, las opciones escogidas para los distintos tipos de datos. En la segunda línea aparece una nueva cabecera que lista, de nuevo mediante caracteres ASCII, los distintos campos para los que se ha procedido a capturar datos. Tras estas dos primeras líneas de cabecera le siguen los datos capturados a razón de una línea por campo y siendo en primer carácter el mismo por el que estaba denotado en la cabecera. En el caso de los archivos binarios rtb, al almacenarse los valores de los distintos campos en formato binario, se mejora la eciencia en el tamaño del chero resultante respecto al logrado con los archivos rtt, aunque se pierde la capacidad de consultarlos con un simple visor de texto. Una vez se han congurado los distintos parámetros empezamos la captura de datos mediante el botón Empezar captura . Si estamos en el modo interactivo el programa nos permitirá variar las comunicaciones establecidas y su conguración, todo salvo modicar el modelo de receptor GPS congurado al inicio. Si por el contrario estamos en el modo automático, el script toma el mando del programa que sólo permite visualizar el tráco sin tener antes que nalizar el proceso de captura de datos. La aplicación AnalizadorDGPS tiene la capacidad de registrar todos los eventos producidos en el programa durante su ejecución en un archivo de Log. La activación de este se realiza desde el menú principal de la aplicación de forma que, a partir de dicho momento, permitirá la posterior consulta de todo lo ocurrido durante la ejecución del programa. Entre los parámetros que facilitan la localización de la información destaca el número de paquete, por ser único para todos ellos y la hora a la que se produjo el evento. Debido a la gran cantidad de información que se almacena, el tamaño del archivo crece muy rápidamente por lo que es habitual necesitar editores de texto especiales para abrir cheros de gran tamaño. También en el menú principal de la aplicación aparece la ventana de preferencias que permite cambiar el funcionamiento de diversas partes del programa. Las pestañas de Reset permiten modicar los comandos que se mandan al receptor cada vez que 64 A. Guía de uso del programa se acciona el botón Reiniciar el GPS a su conguración por defecto . Desde la pestaña Visualización se modica el tamaño de las colas de paquetes que se utilizan para mostrar el tráco por pantalla y el periodo con que se refresca el contenido de dicha ventana. La pestaña Transmisión controla el tamaño de las colas de transmisión de los 4 canales disponibles y de las 2 colas de retransmisión de correcciones diferenciales al puerto de datos del receptor. La pestaña Recepción permite congurar el tamaño de los buers de los distintos hilos de recepción y el periodo con que comprueban cambios en el estado del programa. Por último la pestaña Captura de datos permite congurar el paquete especíco que posibilita la distinción de los paquetes que corresponden a cada una de las soluciones PVT proporcionadas periódicamente por el receptor GPS. Para nalizar comentar que EditorDGPS es una aplicación auxiliar para la generación y edición de cheros con los comandos a ejecutar por AnalizadorDGPS durante las pruebas automatizadas. Estos scripts de pruebas son cheros XML en el que cada nodo del chero corresponde con la orden a ejecutar y sus parámetros si los tiene. Además, para saber cuando ejecutar cada comando, disponemos de un campo TiempoUTC que nos proporciona una referencia temporal y un intervalo Delta que se añade al anterior para obtener el tiempo nal en el que ha de realizarse la acción. En caso de que no se haya denido el campo TiempoUTC, o mejor dicho, se haya empleado el valor correspondiente al primer instante de la era cristiana, se usará el último TiempoUTC denido o, en su defecto, el momento en que comenzó la ejecución del script de pruebas. EditorDGPS permite generar cheros nuevos o puede cargar scripts existentes para editarlos de forma gráca. Este es el modo preferido para realizar pequeñas modicaciones aunque también es posible modicarlos fácilmente mediante un editor de textos. 65 B. Deniciones de precisión del posicionamiento Gracias al sistema GPS podemos obtener mediciones de la posición del usuario en el plano horizontal y de la altura a la que está situado. Sin embargo, en la realización de estas medidas hay que tener en cuenta los efectos que las distintas fuentes de error del sistema tienen en la toma de dichas medidas. El error de medida se dene como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero y, dependiendo de sus distintas causas, se puede descomponer en una componente aleatoria y en otra parte sistemática y, por tanto, constante. Como resultado de esta aleatoriedad, si se realiza un serie de repeticiones de la medida y las representamos, obtenemos una nube de resultados dispersos que podemos caracterizar estadísticamente. Al grado de proximidad de la medición con respecto al valor verdadero se le llama precisión o exactitud (en inglés accuracy), y denotamos como repetibilidad (en inglés repeatability) al grado de proximidad del conjunto de medidas a su media, es decir, a la dispersión de dichas mediciones de forma que cuanto menor sea la dispersión mayor es la repetibilidad. Una medida común de esta variabilidad es la desviación estándar ( σ ) de las mediciones y, por tanto, la repetibilidad se puede estimar como una función de ella. Por su parte, la exactitud está relacionada, en términos estadísticos, con el sesgo de una estimación, cuanto menor es el sesgo más exacta es dicha estimación. En la Figura B.1 se ilustra la relación entre ambas propiedades para una medida de la posición en el plano horizontal. Si tomamos el origen del sistema de coordenadas como el valor verdadero de la medida, entonces el centro del área sombreada es la posición media estimada, la distancia de este al origen es el sesgo introducido y el radio del área es una medida de la incertidumbre contenida en la estimación y por tanto es proporcional a σ . B.1. Denición matemática de los parámetros utilizados para carácterizar el error en la posición Sean xref , yref y href las coordenadas de nuestro punto de referencia o valor verdadero. Si xi , yi y hi para i= 1..N son las medidas i-ésimas, se dene su media aritmética como: x=1 N N X i=1 xi 66 B. Deniciones de precisión del posicionamiento Exactitud alta Repetibilidad alta Exactitud baja Repetibilidad alta Exactitud alta Repetibilidad baja Exactitud baja Repetibilidad baja Figura B.1.: Exactitud frente a repetibilidad y=1 N N X i=1 yi h=1 N N X i=1 hi El sesgo (en inglés bias) en cada coordenada se dene como: bx=x−xref by=y−yref bh=h−href 67 B. Deniciones de precisión del posicionamiento De esta forma podemos denir el sesgo en el plano horizontal y el esférico como: b2D=q(x−xref )2+ (y−yref )2 b3D=q(x−xref )2+ (y−yref )2+ (h−href )2 Igualmente podemos denir la desviación estándar en cada coordenada como: σx=v u u t 1 N N X i=1 (xi−x)2 σy=v u u t 1 N N X i=1 (yi−y)2 σh=v u u t 1 N N X i=1 (hi−h)2 Siendo sus versiones multidimensionales: σ2D=qσ2 x+σ2 y σ3D=qσ2 x+σ2 y+σ2 h Para nalizar el valor cuadrático medio (en inglés root mean square) de cada componente se expresa como: rmsx=v u u t 1 N N X i=1 (xi−xref )2 rmsy=v u u t 1 N N X i=1 (yi−yref )2 rmsh=v u u t 1 N N X i=1 (hi−href )2 Resultando en las siguientes deniciones: rms2D=qrms2 x+rms2 y rms3D=qrms2 x+rms2 y+rms2 h 68 B. Deniciones de precisión del posicionamiento B.2. Medidas tridimensionales Para expresar la precisión de las medidas tomadas es habitual indicar la magnitud del error para el cual un porcentaje determinado de dichas medidas no han superado la magnitud anteriormente indicada. Para el posicionamiento en el espacio, la magnitud de la que hablamos es el radio de la esfera que contiene el porcentaje especicado de las medidas realizadas. De este modo podemos denir el SEP (del inglés Spherical Error Probable) como: SEP radio de la esfera, centrada en la posición verdadera, que contiene el 50 % de las posiciones medidas Dicho de otra forma, el SEP representa la esfera para la que la mitad de las medidas estarán dentro, pero para la que la otra mitad caerá fuera. Para aumentar la certeza en las medidas que proporciona el SEP podemos aumentar el radio de la esfera de forma que incluya un porcentaje mayor de estas. De este modo podemos denir: Error esférico al 95 % o SEP 95 radio de la esfera, centrada en la posición verdadera, que contiene el 95 % de las posiciones medidas Como regla general, si al hablar de la magnitud de un error no se especica que estamos usando el SEP, y por tanto un porcentaje del 50 %, entonces además de indicar el error esperado hemos de especicar la probabilidad para la que el error es menor del indicado. Como se intuía al comentar la Figura B.1 otra forma diferente de expresar la precisión emplea la desviación estándar de los errores producidos para valorar la incertidumbre en las medidas. De esta forma aparece el mrse (del inglés Mean Radial Spherical Error): msre medida de la incertidumbre en la estimación de la posición en el espacio Si usamos un sistema de coordenadas local con el origen en la posición del usuario o posición verdadera y con los ejes apuntando en las direcciones Este, Norte y Arriba y, si lo errores producidos en cada eje son independientes y presentan una distribución normal de igual varianza, el msre es equivalente al radio de la esfera, centrada en la posición verdadera, que contiene el 61 % de las medidas realizadas. En estas cirscunstancias su valor se aproxima a: mrse ≈qσ2 E+σ2 N+σ2 h B.3. Medidas bidimensionales Para las medidas en el plano horizontal el análisis es similar al del espacio tridimensional. En este sentido lo que denimos es el radio del círculo para el que un porcentaje especicado de las medidas están dentro de su área, siendo también habitual el uso de los percentiles P 50 y P 95 . De esta manera podemos denir los distintos CEP (del inglés Circular Error Probable) y el drms (del inglés Distance, Root Mean Square) que corresponde a 1-sigma: 69 B. Deniciones de precisión del posicionamiento CEP radio del círculo, con centro en la posición verdadera, para el que el 50 % de los valores ocurren dentro (o fuera) de este Error horizontal al 95 % o CEP 95 radio del círculo, con centro en la posición verdadera, para el que el 95 % de los valores ocurren dentro de este drms ( 1σ ) medida de la incertidumbre en la estimación de la posición en el plano horizontal El drms se dene como la raíz cuadrada de la media de los errores cuadráticos medios: drms =qσ2 E+σ2 N En este caso, e igualmente suponiendo errores independientes con distribución normal e igual varianza, el drms es equivalente al radio del círculo para el que un 63 % de las medidas caen dentro de su área. Adicionalmente, para aumentar la certeza que nos proporcione un valor de error podemos emplear el valor 2-sigma, correspondiente al doble del drms: 2drms ( 2σ ) doble del valor proporcionado por el drms Valor para el que, y realizando las mismas suposiciones sobre el tipo de los errores, la probabilidad de que los errores posicionales sean menores que 2drms es del 98 %. En la realidad dichas suposiciones no se cumplen exactamente, por lo que el porcentaje de las medidas en el plano horizontal contenidas dentro del valor 2drms varía aproximadamente entre el 95,5 % y el 98,2 %, dependiendo del grado de elipticidad de la distribución del error en el plano horizontal. De este modo la cantidad 2drms se utiliza como un límite superior del error al 95 % o CEP 95 . B.4. Medidas unidimensionales Para las medidas unidimensionales, como es el caso de la altura, la medida más común de la precisión es la proporcionada por el percentil P 95 aunque también se utiliza el P 50 : Error probable al 50 % magnitud del error para el que el 50 % de las medidas no lo superan. Error probable al 95 % magnitud del error para el que el 95 % de las medidas no lo superan. Su valor es aproximadamente igual al doble de la desviación estándar para una variable aleatoria con distribución normal. De esta manera se sumple que: Error vertical al 95 % ≈2qσ2 h= 2σh 70 B. Deniciones de precisión del posicionamiento B.5. Especicaciones originales del sistema GPS Como una muestra de la relación existente entre los distintos valores reproducimos en la Tabla B.1 un listado con las especicaciones originales del sistema GPS, tanto para el servicio PPS como para el SPS. Los valores en negrita son las especicaciones formales durante el desarrollo del sistema, deduciéndose el resto por las equivalencias existentes entre ellos. Ha de tenerse en cuenta el estado de activación de la SA en esos momentos para explicar la diferencia con la precisión obtenida en la actualidad. Tabla B.1.: Tabla de especicaciones originales del sistema GPS Percentil 50 drms ( 1σ ) 2drms ( 2σ ) Precisión en la posición PPS SPS PPS SPS PPS SPS Horizontal 8m 40m 10,5m 50m 21m 100m Vertical 9m 47m 14m 70m 28m 140m Esférica 16m 76m 18m 86m 36m 172m 71 C. Determinación de la posición en Geodesia La geodesia estudia la forma, dimensiones y campo gravitatorio de la Tierra en territorios extensos teniendo en cuenta, por tanto, la esfericidad terrestre como elemento central de sus estudios y el geoide en particular. El geoide es un esferoide tridimensional que constituye una supercie equipotencial imaginaria que resulta de suponer la super- cie de los océanos en reposo y prolongada por debajo de los continentes. El geoide es por tanto la supercie a la que nos referimos cuando hablamos de la altura respecto al nivel del mar y, aunque a grandes rasgos se pueda pensar en ella como una esfera, se trata de una supercie muy irregular debido al achatamiento de los polos y con protuberancias y depresiones por la densidad de los diversos componentes de la Tierra. Su forma determina mediante mediciones gravitatorias en puntos de referencia que se interpolan al resto de coordenadas. Para evitar esta complejidad se utiliza un elipsoide de revolución como referencia que se adapte lo mejor posible a la forma del geoide de modo que simplique los procesos de cálculo de posiciones. El sistema GPS en particular realiza dicho cálculo de posiciones usando inicialmente un sistema de coordenadas centrado y jo en la Tierra (ECEF del inglés Earth-Centered Earth-Fixed). Posteriormente, para la presentación al usuario de las posiciones calculadas, utiliza el elipsoide WGS84 para proporcionar las coordenadas LLA (Latitud, Longitud y Altura) de la posición del usuario. A partir de estas medidas respecto al elipsoide de referencia el usuario pueden trasladarlas a sistemas de coordenadas locales o otros datums de mapas. Por regla general, los datums de los mapas locales son más ajustados a la forma local de la Tierra en esa zona a costa de no ser válidos globalmente. La representación del elipsoide sobre un plano presenta nuevas complicaciones ya que este no puede extenderse sobre un plano sin sufrir deformaciones ni rasgaduras. Hay varias formas de realizar esta representación, pero una de las premisas fundamentales para realizarla es la de obtener la mínima distorsión al proyectar los elementos de una supercie a la otra. En España, el sistema de proyección utilizado es el UTM y sus coordenadas, denominadas Northing y Easting, se reeren a distancias en direcciones aproximadamente Norte y Este ya que han de tener en cuenta la curvatura de la supercie terrestre. El sistema UTM divide la Tierra en 60 zonas o Husos, de forma que el proceso de proyección determina una serie de puntos de referencia en el que coinciden las verticales al geoide y al elipsoide. Estos puntos serán los que establezcan las divisiones en los distintos planos locales y suponen la referencia del sistema de coordenadas local. El conjunto de todos estos datos es lo que constituye el datum geodésico, siendo el Huso UTM 30 el que 72 D. Datos de las pruebas realizadas Figura D.6.: Altura geoidal en la posición de la antena 79 D. Datos de las pruebas realizadas D.3. Listado de estaciones de referencia disponibles La Tabla D.1 es un listado de las estaciones de referencia situadas en territorio español disponibles en la red ERGNSS del IGN (Instituto Geográco Nacional) y en la red de ámbito europeo EUREF. Para realizarlo se ha consultado la página web http://igs.bkg.bund.de/root_ftp/NTRIP/streams/streamlist_world-wide.htm limitándonos a aquellos streams que proporcionan correcciones diferenciales con formato RTCM versión 2, ya que los receptores diferenciales de que disponemos no soportan la nueva versión 3. Tabla D.1.: Estaciones de referencia disponibles a fecha 26/09/12 Stream Red Identicador Latitud Longitud Detalle de comandos ACOR1 Euref, Ergnss A_Coruna_23 43,36 o 351,60 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) ALAC0 Euref Alicante 38,34 o 359,52 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) ALBA0 Euref Albacete 38,98 o 358,14 o 1(1), 3(10), 16(120), 18(1), 19(1), 59(10) ALBA1 Ergnss Albacete_23 38,98 o 358,14 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) ALME0 Euref, Ergnss Almeria_23 36,85 o 357,54 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) ARDU1 Euref, Ergnss ADuero_23 41,66 o 356,25 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) BCLN1 Ergnss Barcelona_23 41,51 o 2,00 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) CACE0 Euref, Ergnss Caceres_23 39,48 o 353,66 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 23(10), 24(10), 59(10) CANT1 Euref, Ergnss Cantabria_23 43,47 o 356,20 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) CEU10 Euref, Ergnss Ceuta_23 35,89 o 354,69 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) COBA1 Euref, Ergnss Cordoba_23 37,92 o 355,28 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) FRAG1 Ergnss Fraga_23 41,51 o 0,32 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) Stream Red Identicador Latitud Longitud Detalle de comandos 80 D. Datos de las pruebas realizadas Stream Red Identicador Latitud Longitud Detalle de comandos GIRO1 Ergnss Girona_23 42,04 o 2,86 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) HUEL0 Euref, Ergnss Huelva_23 37,20 o 353,08 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) IGNE1 Euref, Ergnss Madrid_23 40,45 o 356,29 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) IZAN1 Euref, Ergnss Izana_23 28,31 o 343,50 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) JACA1 Ergnss Jaca_23 42,57 o 359,27 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) LEON1 Euref, Ergnss Leon_23 42,59 o 354,35 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) LUGO1 Ergnss Lugo_23 42,99 o 352,45 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) MALA1 Euref, Ergnss Malaga_23 36,73 o 355,61 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) MALL1 Euref, Ergnss Mallorca_23 39,55 o 2,62 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) MELI1 Ergnss Melilla_23 35,28 o 357,05 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) PENI1 Ergnss Peniscola_23 40,39 o 0,36 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) RIO11 Ergnss Rioja_23 42,45 o 357,58 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) SALA1 Euref, Ergnss Salaman_23 40,95 o 354,49 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) SONS1 Euref, Ergnss Sonseca_23 39,68 o 356,04 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) TERU1 Ergnss Teruel_23 40,35 o 358,88 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) VALE0 Euref Valencia 39,48 o 359,66 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) Stream Red Identicador Latitud Longitud Detalle de comandos 81 D. Datos de las pruebas realizadas Stream Red Identicador Latitud Longitud Detalle de comandos VALE1 Ergnss Valencia_23 39,48 o 359,66 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) VIGO0 Euref, Ergnss Vigo_23 42,18 o 351,19 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) YEB11 Euref, Ergnss Yebes_23 40,52 o 356,91 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1) YEBE0 Euref, Ergnss Yebes_23 40,52 o 356,91 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) ZARA0 Euref, Ergnss Zaragoza_23 41,63 o 359,12 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(10), 23(10), 24(10), 59(10) ZFRA1 Ergnss Zafra_23 38,42 o 353,59 o 1(1), 3(10), 18(1), 19(1), 22(15), 23(15), 24(15) Stream Red Identicador Latitud Longitud Detalle de comandos El protocolo NTRIP proporciona, entre los datos descriptivos de las diferentes estaciones, las coordenadas de dichas estaciones, permitiéndonos calcular la distancia a la que está situado nuestro receptor y elegir las que más interesen al usuario. La Tabla D.2 muestra las distancias elipsoidales a las estaciones nalmente elegidas. Su cálculo se ha realizado mediante el programa GeographicLib http://geographiclib.sourceforge.net/. Tabla D.2.: Distancia del receptor GPS a las estaciones de referencia Estación de Referencia Distancia (km) Fraga_23 63,5107 Zaragoza_23 88,2750 Rioja_23 244,1739 Sonseca_23 358,2395 82 E. Hojas de características de los receptores A continuación se reproducen las hojas de características de los receptores utilizados durante el proyecto. Ambos han sido fabricados por la empresa Trimble y corresponden a los modelos: 1. Placer GPS 450/455 2. Lassen-SK8 83 E. Hojas de características de los receptores Trimble Placer GPS 450/455 Versatile GPS Mobile Unit with Communications Support and Optional Dead Reckoning for Commercial Fleet Applications KEY FEATURES AND BENEFITS • Multiple Protocols Available • Lower Acquisition and Operating Costs • Seamless Mobile Unit to Base Station Data Communications • Slim Profile for Easy Installation • Optional DGPS and Dead Reckoning for Improved Accuracy • PowerTools Software for Installation and Maintenance The Placer™GPS 450/455 mobile units provide a versatile and economical platform for mobile positioning applications. Using state-of-the-art GPS receiver technology, the Placer unit has been optimized for vehicle installation and operation, providing reliable vehicle position, direction, speed, time and status in any weather, anywhere in the world. Protocol Support The Placer units integrate GPS and protocol support onto a single board enclosed in a lowprofile, ruggedized housing. The Placer units support the worldwide standard TCP/IP (e.g., CDPD) packet data protocol, the industry-standard MAP27 trunked radio protocol (popular in Europe) and the proprietary Ericsson RDI trunked radio protocol. In all instances, a Placer unit, with the proper cable, can be connected directly to a CDPD, MAP27 or RDI radio with no other hardware. Also, for conventional private (UHF/VHF) and spread-spectrum radio networks, the Placer units can operate in a transparent mode by simply passing the data to the base station. Integration Options Each Placer unit has two digital inputs and two digital outputs to support vehicle peripherals (e.g., alarm button, ignition lock-out). In addition, each Placer unit has multiple serial ports, capable of accommodating a variety of mobile data terminals, laptops and Windows CE platforms. These features mean that the Placer units can be easily integrated into mobile data and AVL applications, popular with commercial fleets. Differential GPS Support The Placer units support the most popular forms of Differential GPS. Inverted Differential (available in non-DR configurations) applies differential corrections to vehicle positions as they are received at the base station. This technique can provide position accuracy to about 5 meters. Alternatively, you can connect an FM receiver (available from third parties) to the RTCM port on the Placer units and receive differential correction information via FM subcarrier. Finally, the base station software can transmit the differential correction information (i.e., TAIP DC and DD messages) via the wireless communications network. Optional Dead Reckoning By blending GPS and DR continuously, the Placer unit minimizes the effects of GPS outages, resulting in improved position accuracy in urban environments. Mobile Units with optional Dead Reckoning (455 only) Figura E.1.: Hoja de características del receptor Placer GPS 450/455. Pág. 1 84 E. Hojas de características de los receptores Placer GPS 450/455 Versatile GPS Mobile Unit with Communications Support and Optional Dead Reckoning for Commercial Fleet Applications © July 1998 Trimble Navigation Limited. All rights reserved. Trimble with the Trimble Logo and FleetVision are trademarks of Trimble Navigation Limited registered in the U.S. Pat. and Trademark Off. Placer is a trademark of Trimble Navigation Limited. All other marks are property of their respective owners. TID11257 (7/98) • In-vehicle Mobile Unit (with integrated mounting bracket) • Power cable with 1A fuse (reverse polarity protection) Power (typical): Source: 10-32 VDC, capable of 500mA Operation: 250mA @ 13V; 3.25W (Max) Standby: 10mA @ 13V; 1.3W Backup: Lithium battery, 3.6VDC; 5 year shelf life Serial ports: Radio (450/455): (1) RS-232 DTE MDT (450): (1) RS-232 DCE MDT/RTCM (455): (2) RS-232 DCE Serial port speed, bps: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600(def), 19200, 38400 Message formats: TAIP, TSIP, NMEA-0183 Version 2.1, RTCM SC-104 Comm protocols: TCP/IP (CDPD), MAP27, RDI, Transparent TAIP Digital I/O port: Inputs: (2) switch closures Outputs: (2) 300mA low-side drivers; ignition; GPS, power, 1 pps Event triggers: Time/Distance Reporting (TDR); Inputs (2) Event actions: Report to base (1 destination); Report to serial port Messaging: Accommodates a variety of mobile data terminals, laptops, and Windows CE platforms Output data: Latitude, longitude, altitude, speed, heading, time, and events Receiver: L1 frequency, C/A code (SPS), 8-channel continuous tracking receiver, 16 correlators Update rate: Once per second; up to once per 9,999 seconds Accuracy, S/A*: Position, meters (1 sigma): CrossCheck DR** Non-Differential 58 45 Differential (1 Hz)†2 1 Velocity (1 sigma): 1 meter/second Time: UTC to nearest microsecond First acquisition: Typical (seconds): CrossCheck DR Cold start: <120 <120 Warm start: <45 <2 Hot back-up: <20 <2 Reacquisition: <2 0 Datum: WGS-84 Differential: Inverted Differential (non-DR operation), RTCM SC-104, TAIP DC and DD messages via network Gyro: Piezoelectric vibrating beam Port: Gyro, Odometer, Backup light Odometer pulse: 100mV to 28V peak to peak signal (user-supplied) digital frequency proportional to speed. Min. output 2,000 pulses/mile. Recommended output: >8,000 pulses/mile. Use signal conditioner for analog. Integrated Electronics: Assembly: 450: Sheet metal, gold anodized 455: Sheet metal, black anodized Heading sensor: Injection molded plastic Size: 45X: 229mm W x 95mm D x 33mm H 9” W x 3.75” D x 1.28” H Heading sensor: 102mm W x 64mm D x 92mm H 4” W x 2.5” D x 3.625” H Weight: 450: 0.43 kg (0.95 lbs) 455: 0.45 kg (1 lbs) Heading sensor: 0.16 kg (0.35 lbs) Connectors (450/455): GPS antenna: SMB (receptacle) Radio: DB9 (receptacle) MDT (450): DB9 (receptacle) MDT/RTCM (455): DB9 (receptacle) Digital I/O: DB9 (receptacle) Heading sensor (455): DB9 (receptacle) Power: Switchcraft TA3 (plug) Temperature: Operating: -40°C to +60°C†† Non-operating: -55°C to +85°C Humidity: 5% to 95% RH, non-condensing at +40°C Altitude: -400 to +5,000 meters Velocity: 446 meters/second (999 miles/hour) Vibration: 0.008g2/Hz 5Hz to 20Hz 0.05g2/Hz 20Hz to 100Hz -3dB/Octave 100Hz to 900Hz Shock: 40g for 11 milliseconds Casing: Splash-resistant and dust-resistant • GPS antennas/cables: Permanent or magnetic mount • Heading sensor (455 only) and cable • FleetVision®and FleetVision External Systems Interface SDK • Installation and Operations Manual • Serial and Digital I/O cables • E-mail us at sales_info@ trimble.com • Visit our website at www.trimble.com/mpc • Access our FaxBack database at 1-408-481-7704 *All GPS receivers are subject to degradation of position and velocity accuracies under Department of Defense imposed Selective Availability (S/A). ** In DR/GPS operation; in DR only operation, an additional 3% to 5% of distance traveled up to 1 km. †At least five satellites; PDOP <4. †† Operating temperatures for the Heading sensor are -20°C to +60°C. Specifications subject to change without notice. STANDARD COMPONENTS (Part Numbers 30838-XX and 30376-XX; XX=10, 20, 30, 90) GENERAL SPECIFICATIONS FIRMWARE SPECIFICATIONS PHYSICAL SPECIFICATIONS ENVIRONMENTAL SPECIFICATIONS GPS SPECIFICATIONS ACCESSORIES (Ordered separately) FOR MORE INFORMATION Trimble Navigation Mobile Positioning Products 645 North Mary Avenue Sunnyvale, CA 94086 1-800-334-9219 inside US +1-408-481-7920 outside US +1-408-481-7744 Fax www.trimble.com Trimble Navigation Limited Latin American Office 6505 Blue Lagoon Drive Suite 120 Miami, FL 33126 +1-305-263-9033 +1-305-263-8975 Fax Trimble Navigation New Zealand Limited 11 Birmingham Drive P.O. Box 8729 Riccarton, Christchurch NEW ZEALAND +64-3-339-1400 +64-3-339-1417 Fax Trimble Navigation Europe Limited Trimble House Meridian Office Park Osborn Way Hook, Hampshire, RG27 9HX ENGLAND Phone: +44-1256-760-150 Fax: +44-1256-760-148 HEADING SENSOR SPECIFICATIONS Figura E.2.: Hoja de características del receptor Placer GPS 450/455. Pág. 2 85 E. Hojas de características de los receptores Lassen-SK8 GPS Board for Fast Integration Tracking & Communication Products TM Highest performance, smaller size, and lower power consumption for embedded applications Introducing the Lassen-SK8 GPS board, Trimble’s new OEM GPS module for embedded applications based on Sierra™ GPS technology. Using the latest 8-channel technology, Lassen-SK8 offers the highest performance available through a miniature GPS receiver. Two-thirds the size of a business card, Lassen-SK8’s extremely low power consumption, 20-second hot acquisition capabilities, and two-meter differential accuracy readings make it the choice for demanding applications. Lassen-SK8’s power consumption is a mere 0.75 watts. This means that battery-powered GPS applications can start up and calculate positions with less power than any other module available today. With the fastest reacquisition time available, Lassen-SK8 also delivers position data faster and more often. Lassen- SK8 even provides this information in areas where satellite signals are inhibited by terrain and structures. If your application requires differential GPS accuracy, Lassen-SK8 is more than ready. Using industry standard RTCM SC-104 correction data or TSIP format corrections, Lassen-SK8 provides the highest level of DGPS available in a miniature GPS receiver. The optional fullmeasurement feature positions you well ahead of the competition. Dual serial I/O ports mean greater flexibility and faster integration. One serial port uses Trimble’s renowned TSIP binary data protocol to provide maximum data and control over your GPS receiver. The second port outputs your choice of NMEA 0183 Version 2.1 standard data messages and receives RTCM SC-104 differential corrections. While TSIP data packets are output once each second, you can configure NMEA messages to output anywhere from once per second to once every 20 seconds. Use TSIP commands to configure and permanently store your serial port settings and NMEA data selections. Lassen-SK8’s Starter Kit provides everything you need to get started integrating state-of-the-art GPS into your application. The new 12-volt, RS-232 interface module and Toolkit Software included in the Starter Kit make the Lassen-SK8 GPS board computer-ready for your evaluation. Actual size Figura E.3.: Hoja de características del receptor Lassen-SK8. Pág. 1 86 E. Hojas de características de los receptores Dimensions: 3.25" L x 1.25" W x 0.40" H (82.6 mm x 31.2 mm x 10.2 mm) without connectors 3.29" L x 1.30" W x 0.52" H (83.6 mm x 33.0 mm x 13.2 mm) with connectors and optional shield Weight: 0.7 oz. (19.6 g) without optional shield 1.3 oz. (36.4 g) with optional shield Connectors: RF: SMB; I/O: 8-pin (2x4), 0.100" header GPS antenna: Compact, active micropatch antenna with 5-meter cable and magnetic mount. 1.60" x 1.90" x 0.55" high (40.6 mm x 48.3 mm x 13.9 mm) Hard mount antenna: Compact, hard mount, active micropatch antenna with single-hole 0.75" threaded mount and TNC connector. 2.46" diameter x 0.75" high (62.6 mm x 19.0 mm) Rooftop antenna: Bullet antenna with 22-meter cable and SMB adapter RF shield: Optional snap-on metal cover for severe RF environments Modules: 28835-00 Standard Temperature, TSIP (binary) protocol and NMEA 0183 (ASCII) protocol, DGPS ready 28835-50 Extended Temperature, TSIP (binary) protocol and NMEA 0183 (ASCII) protocol, DGPS ready Antennas: 28367-00 26 dB magnetic mount antenna, 5-meter cable 28367-70 26 dB hard mount antenna, TNC connector 23726-00 35 dB rooftop Bullet antenna, 23-meter cable Starter Kit: 29467-00 Includes Lassen-SK8 board, interface motherboard in durable metal enclosure with dual DB9, RS-232 interface, AC/DC power converter, magnetic mount antenna, TSIP and NMEA protocols, software toolkit for TSIP, interface cable, and manual Manual: 29473-00 Lassen-SK8 System Designer Reference Guide Trimble Navigation Europe Limited Trimble House Meridian Office Park Osborn Way, Hook Hampshire, RG27 9HX U.K. +44 1256-760150 +44 1256-760148 Fax Tracking & Communication Products 645 North Mary Avenue Sunnyvale, CA 94086 1-800-827-8000 inside U.S. +1 (408) 481-8000 outside U.S. +1 (408) 481-7744 Fax Physical Characteristics Ordering Information General: L1 frequency, C/A code (SPS), 8-channel, continuous tracking receiver, 32 correlators Update rate: TSIP @ 1 Hz; NMEA @ 1 Hz Accuracy: Position: 25 m CEP (50%) without SA Velocity: 0.1 m/sec without SA Time: ±500 nano-seconds (nominal) DGPS accuracy: Position: 2 m CEP (50%) Velocity: 0.05 m/sec Time: ±500 nano-seconds (nominal) Acquisition (typical): Cold start: <2 minutes (90%) Warm start: <45 seconds (90%) Hot start: <20 seconds (90%) Cold start requires no initialization. Warm start implies last position, time and almanac are saved by back-up power. Hot start implies ephemeris also saved. Reacquisition after signal loss: < 2 seconds (90%) Dynamics: Altitude: -1000 m to +18,000 m Velocity: 515 m/sec maximum Acceleration: 4g (39.2 m/sec2) Motional Jerk: 20 m/sec3 Operating temp: -10°C to +60°C (standard) -40°C to +85°C (optional) Storage temp: -55°C to +100°C Vibration: 0.008g2/Hz 5 Hz to 20 Hz 0.05g2/Hz 20 Hz to 100 Hz 3dB/octave 100 Hz to 900 Hz Operating humidity: 5% to 95% R.H. non-condensing, @ +60°C Altitude: -400 m to +18,000 m Prime power: +5 volts DC, ±5% Power consumption (nominal): GPS board only: 150 ma, 0.75 watts With antenna: 175 ma, 0.88 watts Back-up power: +3.2 to +5 volts DC 2 micro-amp @ +3.5 volts, +25°C (nominal) Serial ports/1PPS: CMOS TTL levels Protocols: TSIP @ 9600 baud, 8-Odd-1 NMEA 0183 v2.1 @ 4800 baud, 8-None-1 RTCM SC-104 @ 4800 baud, 8-None-1 NMEA messages: GGA, VTG, GLL, ZDA, GSV, GSA and RMC messages selectable by TSIP command; selection stored in nonvolatile memory Antenna power: 5V at 25mA available Short circuit protection Feedline fault detection Performance Specifications © Copyright March 1996 Trimble Navigation Limited. All rights reserved. TID10506 (3/96) Lassen-SK8 GPS Board for Fast Integration Environmental Specifications Physical Characteristics Accessories TM Figura E.4.: Hoja de características del receptor Lassen-SK8. Pág. 2 87 Índice de guras 2.1. Caracterización de los segmentos y señales GPS. Reproducido de [3] . . . 13 2.2. Señales GPS de espectro ensanchado. Reproducido de [3] . . . . . . . . . . 14 2.3. Posicionamiento por triangulación. Reproducido de [5] . . . . . . . . . . . 15 2.4. Componentes del sistema DGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5. Efectos de la geometría de los satélites. Reproducido de [10] . . . . . . . . 18 3.1. Actores del protocolo NTRIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Esquema de conexiones de los equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3. Equiposconectados............................... 29 4.1. Ventana principal de AnalizadorDGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.2. Ventana de conguración del puerto serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3. Diagrama de bloques de la comunicación por el puerto de control . . . . . 34 4.4. Ventana de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.5. Ventana de visualización del tráco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.6. Diagrama de bloques de la comunicación por el puerto de datos . . . . . . 38 4.7. Conguración de los servidores diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.8. Diagrama de bloques de la comunicación con un servidor diferencial . . . . 40 4.9. Opciones de captura de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.10. Visualización en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.11. Ventana de preferencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.12. Ventana principal de EditorDGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.1. Evolución de la solución. Receptor sin correcciones . . . . . . . . . . . . . 46 5.2. Calidad de la solución. Receptor sin correcciones . . . . . . . . . . . . . . 47 5.3. Correcciones de Zaragoza_23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.4. Correcciones de Fraga_23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.5. Correcciones de Rioja_23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.6. Correcciones de Sonseca_23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.7. Visibilidad reducida y sin correcciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.8. Visibilidad reducida con correcciones de Zaragoza_23 . . . . . . . . . . . 53 5.9. Evolución de la solución incrementando el retardo . . . . . . . . . . . . . . 56 5.10. Representación en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.11.Pruebadinámica ................................ 58 5.12.Easting-Northing ............................... 58 5.13.Zoomsdeltrayecto............................... 59 88