El fundamento del posicionamiento diferencial es la corrección
de los errores de desajuste de los relojes de los satélites en una
posición mediante los errores medidos en una posición conocida,
para ello, un receptor de referencia o estación base calcula las
correcciones para cada satélite.
Debido a que los pseudo-rangos deben ser corregidos antes del
cálculo de la posición, las implementaciones de DGPS requieren
que el receptor de referencia incluya un software que le permita seguir
todos los satélites visibles y calcular las correcciones de los
pseudos-rangos de cada uno de ellos. Estas correcciones son transmitidas
a los receptores remotos quienes deben ser capaces de aplicarlas individualmente
a cada satélite que se esté utilizando para el cálculo
de la posición. Aplicar una simple corrección sobre la posición
desde el receptor base al receptor remoto en un rango de distancias utilizable
tiene limitaciones ya que ambos receptores deben utilizar el mismo conjunto
de satélites para el cálculo de la posición y además
deben tener la misma GDOP (imposible para posiciones distintas) para ser
afectados de forma idéntica por los errores de desajuste de reloj.
Para eliminar la disponibilidad selectiva (y otros errores de
sincronismo), las correcciones diferenciales deben ser calculadas en la
estación de referencia y aplicadas en el receptor remoto con un
intervalo menor que el tiempo de variación de SA. Los tiempos medios
de actualización de las correcciones suele ser inferior a los veinte
segundos.
El sistema DGPS elimina los errores comunes a la estación
de referencia y los receptores remotos, no aplicándose a los errores
de multicamino o ruido de receptor. Los errores tienden a ser comunes cuando
los receptores están próximos (menos de 100 Km). La precisión
del sistema DGPS usando código C/A con señales SPS.
El Insitut Cartogràfic de Catalunya (ICC), el Centre de Telecomunicacions
de la Generalitat de Catalunya (CTGC) y la Direcció General de Transports
(DGT) ofrecen el servicio RASANT de correcciones diferenciales para el
Global Positioning System (DGPS) desde mediados de 1996 de forma oficial.
En realidad, se han estado transmitiendo correcciones diferenciales con
RASANT desde Noviembre de 1995 sin interrupción. En estos momentos
RASANT cubre el 90% del territorio de Cataluña. En el resto España
existe un proyecto de colaboración entre Radio Nacional de España
(RNE2) y el Instituto Geográfico Nacional (IGN, dependiente del
Ministerio de Fomento) para la implementación del sistema RASANT
a través de la red de repetidores de RNE, este proyecto se encuentra
actualmente en plena expansión encontrándose ya implantado
en más del 40% del territorio nacional. Usuarios equipados de receptores
GPS con capacidad de usar correcciones de las observaciones de código
C/A podrán determinar las coordenadas de puntos sobre prácticamente
todo el territorio español con una precisión de hasta 1 m
en tiempo real.
RASANT es una abreviatura de Radio Aided Satellite Navigation Technique y utiliza el sistema RDS (Radio Data System) de las emisoras FM como sistema de transmisión de datos. En particular, la implementación de RASANT en Cataluña se realiza por medio de la emisora Catalunya Música en cuya banda subportadora RDS se transmiten las correcciones generadas en una de las estaciones GPS permanentes del ICC situada en el recinto de las instalaciones del CTGC en Bellmunt de Segarra. En las transmisiones a través de RNE se utiliza el segundo canal del ente, Radio Clásica FM de RNE, las correcciones son calculadas en La Casa de la Radio (Madrid) y retransmitidas a todos los repetidores a través del satélite hispasat, produciendo un retraso en la llegada de 3.5 segundos.
RASANT es un estándard europeo de radiodifusión de correcciones diferenciales que, en estos momentos, está desplegado en los Länder alemanes, en Cataluña y como se ha indicado anteriormente se está implementando. Otros organismos del resto de Europa están analizando la posible extensión de RASANT a otras regiones y estados.
RASANT ha sido desarrollado por el LVANRW (Landesvermessungsamt Nordrhein-Westfalen) y por la WDR (West Deutsche Rundfunk) con vocación de ser un servicio DGPS de acceso público, gratuito y cuyos formatos estén abiertos a prácticamente cualquier institución o empresa que desee integrar soluciones de posicionamiento o navegación DGPS. El ICC y el IGN han adaptado la tecnología RASANT a los protocolos de comunicaciones RDS utilizados por el CTGC y RNE y a la configuración particular de la red de repetidores FM del CTGC y de RNE.
El equipo para realizar posicionamiento DGPS con RASANT consiste en un receptor GPS con capacidad "input RTCM SC-104" y un receptor RASANT. Un receptor RASANT es un receptor de radio FM con capacidad RDS y capacidad de descompresión de datos RASANT. Un receptor RASANT puede ser adquirido en el mercado o puede ser construido después de haber obtenido la correspondiente licencia de los inventores del sistema. (Como ya se ha indicado, RASANT ha sido diseñado con vocación de servicio público gratuito).
El despliegue de RASANT impulsado por el ICC y el IGN, así como
iniciativas similares e incluso más ambiciosas en otros países
europeos, en Norteamérica y en Japón, son una muestra del
tipo de actividades que las agencias geodésicas oficiales ofrecerán
en el futuro. En particular, ya es clara la tendencia a ampliar los servicios
ofrecidos: de la red geodésica a las estaciones permanentes, a los
servicios de suministro de datos "on-line", al apoyo a la navegación
terrestre, etc.
En 1983 el U.S. Institute of Navigation (ION) solicitó el
desarrollo por parte de la Radio Technical Commission for Maritime Services
(RTCM) de un conjunto de recomendaciones para la transmisión de
correccciones diferenciales a los usuarios del sistema GPS . RTCM estableció
el Special Commitee No. 104 (SC-104) con el nombre de Differential Navstar
GPS Service. El primer borrador con un conjunto de recomendaciones sobre
protocolos, intervalos de transmisión y definición sobre
la información que debería ser transmitida apareció
en Noviembre de 1985. Posteriormente se han efectuado ligeras modificaciones
de los formatos de transmisión apareciendo la versión 2.0
en Enero de 1990, mientras que en Enero de 1994 apareció la versión
2.1 . En la tabla sigiente aparecen los diferentes tipos de mensajes definidos
en la versión 2.1. Actualmente se está trabajando para definir
mensajes que contengan correcciones diferenciales para los satélites
de la constelación GLONASS (sistema ruso similar al GPS).
El formato de datos RTCM SC-104 (o simplemente RTCM) para la transmisión
de correcciones diferenciales GPS se ha constituido como un estándard
defacto en toda la comunidad de receptores GPS, de manera que la práctica
totalidad de receptores GPS que pueden trabajar en modo diferencial aceptan
correcciones diferenciales en formato RTCM.
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Fixed Differential GPS Corrections
Fixed Delta Differential GPS Corrections Fixed Reference Station Parameters Retired Surveying Fixed Constellation Health Fixed Null Frame Fixed Beacon Almanacs Tentative Pseudolite Almanacs Fixed Partial Satellite Set Differencial Corrections Reserved P-Code Differential Corrections (all) Reserved C/A-Code L1, L2 Delta Corrections Reserved Pseudolite Station Parameters Tentative Ground Transmitter Parameters Reserved Surveying Auxiliary Message Reserved Ionosphere (Troposphere) Message Fixed Special Message Tentative Ephemeris Almanac Tentative Uncorrected Carrier Phase Measurements Tentative Uncorrected Pseudorange Measurements Tentative RTK Carrier Phase Corrections Tentative RTK Pseudorange Corrections Undefined Tentative ProprietaryMessage Reserved Multipurpose Usage |
El sistema Radio Data System (RDS) es un estándard europeo
para la transmisión de datos a los receptores FM. Entre la información
transmitida vía RDS tenemos: nombre de la emisora, tipo de programa,
información horaria… La información RDS se transmite en subportadoras
inaudibles (57 kHz) de los canales de FM comercial. Las condiciones de
recepción de las señales RDS son idénticas a las de
recepción del programa de radio. Gran parte de las autoradios tienen
capacidad para decodificar la información RDS que se transmite juntamente
con los programas comerciales de FM.
En la estación de referencia el programa RASREF reformatea y comprime las correcciones diferenciales generadas por el receptor GPS en formato RTCM, de manera que puedan inyectarse en los codificadores RDS de las emisoras FM. La información RDS se distribuye en grupos, el sistema RASANT utiliza los grupos 5 A o el 11 A. Cada uno de estos grupos tiene una capacidad útil de 37 bits. La compresión efectuada por RASANT permite transmitir las correcciones diferenciales de un satélite en un sólo grupo RDS. El usuario recibe la información RDS a través de un receptor FM convencional, a partir de las correcciones de cada satélite contenidas en los grupos RDS junto con información adicional sobre los tiempos de referencia el programa RASKOMBI se encarga de regenerar las correcciones diferenciales en formato RTCM. La estructura de las correcciones diferenciales transmitidas por RASANT permite que la información sobre los tiempos de referencia de los mensajes RTCM (conocida como z-count) pueda ser transmitida a menor velocidad que las correcciones diferenciales propiamente dichas.
Al estar las correcciones diferenciales de un satélite contenidas en un sólo grupo RDS, el sistema adquiere una gran robustez frente a interferencias. Si se observan 7 satélites, el mensaje en formato RTCM ocupa 420 bits, si se transmitiese directamente en formato RTCM se necesitarían 12 grupos RDS. Si se perdiese uno de estos 12 grupos debido a interferencias, entonces no sería posible inyectar el mensaje recibido a un receptor GPS. En el sistema RASANT la corrección de estos 7 satélites es transmitida en sólo 7 grupos RDS, y en caso de perderse algún grupo, entonces RASKOMBI regeneraría un mensaje en formato RTCM conteniendo las correcciones diferenciales de los restantes 6 satélites.
En la práctica el usuario utilizará receptores integrados
RASANT. Actualmente existen en el mercado diversos receptores integrados
RASANT con precios a partir de 85.000 pta. Los receptores integrados RASANT
actúan a modo de caja negra, tienen una entrada para una antena
FM y una salida RS232 para las correcciones diferenciales en formato RTCM.
Los receptores integrados se componen de un sintonizador FM con capacidad
RDS junto con un procesador que reformatea las correcciones diferenciales
de la forma señalada anteriormente de forma totalmente automática
y transparente para el usuario. Los receptores integrados RASANT pueden
sintonizarse a una frecuencia predeterminada o escanear todo el espectro
en busca de emisoras que incluyan RASANT en su información RDS.
Para aumentar la robustez, algunos receptores RASANT tienen la posibilidad
de incorporar un segundo sintonizador FM para mejorar la calidad de recepción
de la información RDS.
Finalmente podemos remarcar que también existe la posibilidad
de disponer de receptores integrados RASANT-GPS, en este caso las correccioness
diferenciales RTCM se aplican automáticamente al receptor GPS integrado
en el equipo, obteniéndose directamente posiciones GPS en modo diferencial.
Para un uso óptimo del GPS, y para representar correctamente
las coordenadas así obtenidas sobre la cartografía, debemos
tener en cuenta las diferencias entre el sistema de referencia WGS84 -el
propio del GPS- y el sistema ED50 -el utilizado en el estado español-.
En Cataluña la diferencia total entre el sistema de referencia WGS84
y el sistema ED50 es de unos 175 m. El ICC dispone de los parámetros
necesarios para realizar la transformación entre los sistemas de
referencia. Estos parámetros están calculados de manera local,
de tal forma que su valor es óptimo para Cataluña. Los parámetros
de transformación pueden obtenerse llamando a la BBS del ICC, Geofons
(Teléfono: 93-426 76 65) o ser proporcionados por el Servicio de
Geodesia del ICC, en un futuro próximo estarán disponibles
vía internet (http://www.icc.es). También debemos tener en
cuenta las diferencias entre las cotas elipsoidales- las que se obtienen
del GPS- y las ortométricas -las que se representan en los mapas-.
El conjunto de estas diferencias es el llamado geoide. En Cataluña
se dispone de un geoide local, el UB91, que puede obtenerse en la tienda
del ICC por un precio simbólico, o bien llamando a Geofons. En el
sistema WGS84 la diferencia entre cotas elipsoidales y cotas ortométricas
en la zona de Cataluña varía entre 49.5m i 55m. Para un aprovechamiento
máximo del GPS es necesario, pues, combinar los datos del receptor
de trabajo con los datos de un receptor de referencia, para poder trabajar
en modo diferencial (DGPS), los parámetros de transformación
entre los sistemas WGS84 y ED50 y los datos del geoide.
En la imagen anterior puede observarse la representación sobre
cartografía de la trayectoria de un receptor RASANT/GPS después
de aplicarse las transformaciones mencionadas en el apartado anterior.
El mayor problema para el uso de posicionamiento diferencial GPS en ciudades
son las obstrucciones de los satélites GPS causadas por los edificios.
Aunque la readquisición de la señal GPS es muy rápida,
ver imagen inferior donde se representa la posición de un receptor
móvil cada segundo, en algunas zonas los edificios pueden provocar
valores DOP muy altos e incluso la imposibilidad de posicionamiento al
disponer de un número insuficiente de observaciones de satélites.
En los casos en que sea necesario un posicionamiento de precisión
continuo en zonas urbanas debería complementarse el sistema RASANT/GPS
con sensores adicionales (giróscopos y odómetros).