jueves, 18 de julio de 2013

El Posicionamiento Puntual Preciso (PPP) en la práctica

Introducción

Entre los métodos de posicionamiento GNSS podemos distinguir básicamente a:

1)      El Posicionamiento Puntual Absoluto, que es la solución de los navegadores y dónde la posición de determina utilizando la medición con código junto al mensaje de navegación transmitido con un solo receptor. Los errores del satélite, medio de propagación de la señal y del receptor son corregidos marginalmente, por lo tanto la exactitud de la solución es a nivel de varios metros, típicamente 5 metros en planimetría y 10 metros en altura.
2)      El Posicionamiento Relativo o Diferencial, que hace uso de mediciones simultáneas a los mismos satélites, con la finalidad de cancelar los errores orbitales, de los relojes de los satélites y del medio de propagación de la señal (tropósfera + ionósfera), a través de (básicamente) una doble diferencia satélite-receptor. Este método permite calcular una diferencia entre dos posiciones con una exactitud a nivel de mm./cm., por lo que requiere que una de ellas sea conocida a través de un marco de referencia, para aplicar el incremento de coordenadas (delta X, delta Y, delta Z) y así obtener la posición de los nuevos puntos.
3)      El Posicionamiento Puntual Preciso que emplea datos de medición con fase no diferenciados, es decir provenientes de un solo receptor de tipo geodésico, más datos de corrección de los errores en los relojes de los satélites y órbitas precisas, junto a un esquema de modelamiento adicional de errores, con la finalidad de obtener una solución con una exactitud a nivel de cm./dm.. En este caso los “puntos fijos” pasan a ser directamente los satélites.

Ahora bien, es importante no perder de vista que si bien los usuarios en este último método aprecian el empleo de un solo receptor para obtener una solución de posicionamiento de calidad, detrás del PPP hay una infraestructura de observación a escala global (red de estaciones GNSS permanentes) y centros de análisis, que generan las efemérides precisas y las correcciones a los relojes de los satélites, que son necesarias para que este método funcione en la práctica.

Sesgos y errores en el PPP

Si bien este es un tema que para los usuarios es transparente ya que se encuentra “encerrado” dentro de los algoritmos del software que calcula las posiciones, es importante conocer que el PPP requiere de una gran cantidad de correcciones para alcanzar las exactitudes que ofrece. Cuando hicimos referencia a un esquema de modelamiento adicional de errores en el punto 3) del apartado anterior, nos estábamos refiriendo concretamente a: la rotación de fase de los satélites, efectos relativísticos, corrección de las mareas terrestres, carga oceánica y otros parámetros geofísicos como el movimiento del polo y el movimiento de las placas tectónicas, conjunto de correcciones que son propias de este método en comparación al más conocido método diferencial.

Ventajas y desventajas del PPP

Las cualidades más importantes del PPP radican en:

1)      que los usuarios no requieren vincularse a un marco de referencia ocupando una estación base con coordenadas conocidas;
2)      que desaparecen las limitaciones referidas a la longitud del vector o de la base;
3)      que simplifica el procesamiento de las observaciones GNSS y el trabajo de campo;
4)      que pueden aplicarse a levantamientos estáticos y cinemáticos; y
5)      que permite el acceso directo al marco ITRF.

La principal desventaja del PPP es que requiere de tiempos de convergencia largos, necesarios para que la solución flotante de las ambigüedades de la fase converja para garantizar un posicionamiento a nivel centimétrico (Rizos, Ch., et. al., 2012). Respecto a los levantamientos cinemáticos, el problema del tiempo de convergencia puede solucionarse realizando una observación estática suficientemente larga antes del levantamiento.

En el siguiente gráfico, se muestra un ejemplo realizado en base a más de 500 archivos RINEX remitidos al servicio Natural Resources Canada (NRCan) - CSRS-PPP, en el que puede observarse que para lograr una posición por debajo de los 3 cm. son necesarias más de dos horas de observación. Esto siempre para el caso de receptores de doble frecuencia.
 


Además, en el posicionamiento relativo puede asumirse que dentro de los 15/20 km. las demoras en la ionósfera son de similar magnitud, por lo que al diferenciar las observaciones se obtienen nuevas posiciones a nivel centimétrico. Pero como ya señalamos, el PPP trabaja con observaciones no diferenciadas, lo cual demanda el empleo de receptores de dos frecuencias que permiten formar combinaciones lineales a partir de los observables originales y así corregir los efectos de primer orden de la ionósfera, para obtener una solución de exactitud equivalente. Pero el uso de receptores de una frecuencia en forma aislada no permite la corrección del efecto de la demora de la señal en la ionósfera sino a través de modelos, por lo que quedan errores remanentes que no pueden ser reducidos ni menos eliminados completamente. Por tal motivo, las soluciones de PPP son, en estos casos, de exactitud submétrica. Más precisamente, según la experiencia del autor, con una sesión de unas 5/6 horas, más o menos correspondiente a una jornada de trabajo, puede obtenerse una exactitud en planimetría por debajo de los 40 cm. y en altura por debajo de los 70 cm.

El marco de referencia

Una cuestión fundamental a tener en cuenta es que las coordenadas resultantes del PPP están expresadas en el mismo marco de referencia que el de las órbitas de los satélites. Digamos que cuando utilizamos órbitas precisas, son las que calcula el IGS en base a la realización actual del Marco de Referencia Terrestre Internacional: el ITRF08. A su vez, hay que considerar que las coordenadas están referidas a la época en que se realizan las mediciones. De manera que si queremos vincular las coordenadas obtenidas con el PPP a un marco de referencia nacional, por caso POSGAR 07, es necesario tener en cuenta fundamentalmente la diferencia entre la época de definición del marco y la época de medición. Para realizar estas correcciones, se han mencionado todas las alternativas existentes en la serie de 3 artículos publicados en este blog dedicados al tema de transformación entre marcos de referencia.

La práctica del PPP

En primer lugar, es importante destacar la facilidad de los trabajos de posprocesamiento que implica la utilización del PPP, frente a los conocimientos que son necesarios para procesar observaciones por el método relativo como además para evaluar sus resultados, caso en el que los usuarios necesitan manejar con suficiencia las herramientas disponibles de un software propietario. En el caso del PPP, el funcionamiento básico de los servicios disponibles se remite al envío de los archivos de observación en formato RINEX que, en algunos casos deben estar compactados y en otros no. Luego de procesados los datos (en forma casi inmediata), son devueltos a la casilla de e-mail del usuario con una solución de posicionamiento detallada. En cualquier caso, hay que tener en cuenta que cada aplicación dispone de una página o documento que indica cómo utilizar el servicio, al que deberá remitirse el interesado antes de utilizarlo. Como ejemplo, se adjuntan dos archivos de resultados, uno corresponde a un receptor de una frecuencia y otro a uno de dos frecuencias correspondientes al servicio Canadiense CSRS-PPP


Interfaz del servicio Canadiense CSRS-PPP


Actualmente, se encuentran disponibles los siguientes servicios on-line gratuitos (solo algunos de ellos requieren registrarse como usuario):

  • NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) - Automatic Precise Positioning Service (APPS),   http://apps.gdgps.net/

Pruebas de campo: Diferencial vs. PPP

En la siguiente planilla están disponibles los resultados correspondientes a 5 archivos de observación capturados con un receptor de dos frecuencias, que fueron procesados en forma relativa tomando como base la EEPP ESQU de la Red RAMSAC del IGN, y luego las posiciones resultantes fueron corregidas por velocidades con el Modelo VEMOS 2009 para llevar las coordenadas desde la época de definición del marco POSGAR 07 (2006.632) a la época en que fueron realizadas las distintas mediciones. Luego las coordenadas resultantes X c, Y c, Z c, fueron comparadas con las obtenidas por el servicio Canadiense CSRS-PPP. Finalmente, se obtuvieron las diferencias entre ambos conjuntos de coordenadas cartesianas geocéntricas, del que podemos observar, como era de esperar, que las diferencias más significativas se produjeran en las sesiones de menor tiempo de duración. Dos cuestiones a tener en cuenta aquí son: 1) que no se aplicaron parámetros de transformación entre ITRF 05, al cual está referido POSGAR 07, e ITRF 08, al cual están referidas las coordenadas del servicio PPP, por tratarse de magnitudes despreciables para aplicaciones en levantamientos topográficos y mensuras; y 2) la aplicación del Modelo VEMOS 2009 está limitada a la zona estable de la placa tectónica, por lo que no puede aplicarse en áreas dónde se han producido terremotos, como por ejemplo, en la región de Cuyo, Argentina, que ha sido afectada por el sismo de Chile en Febrero de 2010.

Observaciones finales

En primer lugar, resulta evidente la posibilidad que se incorpore el PPP como una alternativa válida de georreferenciación en todo tipo de levantamientos que no tengan fines geodésicos. En segundo lugar, aunque si bien por el momento el método no permite aplicaciones en tiempo real, hacia ese objetivo están encaminados los esfuerzos de la comunidad geodésica internacional, lo cual brindará en un futuro no muy lejano nuevos beneficios a los usuarios de los sistemas de posicionamiento satelital. Sobre los últimos desarrollos e innovaciones los interesados pueden obtener más información en Rizos, Ch. et. al. (2012).

En tercer lugar, el PPP es recomendable aplicarlo en aquellas zonas dónde el acceso al marco de referencia está limitado por la distancia, accesibilidad o bien por la destrucción de algún punto geodésico que necesitamos utilizar como referencia, o simplemente porque el día que fuimos al terreno a hacer el levantamiento la EEPP que utilizamos estuvo fuera de servicio. A todo esto, podríamos agregar las zonas dónde la cobertura con estaciones GNSS permanentes es escasa, ya sea por la baja densidad de población o por otras razones técnicas o económicas. El PPP en estos contextos viene a llenar un vacío, por lo que queda en nuestras manos sacarle el máximo provecho.

Recursos adicionales y referencias:

Gao, Yang (2006). Precise Point Positioning and Its Challenges. Inside GNSS, Noviembre/Diciembre 2006, págs. 16 a 18,

Mireault, Y., Tétreault P., Lahaye F., Héroux P. & Kouba J. (2008). Online Precise Point Positioning. A new, timely service from Natural Resources.  GPS World, Septiembre de 2008, págs. 59 a 64, http://www.nxtbook.com/nxtbooks/questex/gps0908/index.php?startid=59#/54

Rizos, Chris, Janssen, Volker, Roberts, Craig & Grinter, Thomas (2012). Precise Point Positioning: Is the Era of Differential GNSS Positioning Drawing to an End?. FIG Working Week 2012, Roma, Italia, 6 al 10 de Mayo, http://www.fig.net/pub/fig2012/papers/ts09b/TS09B_rizos_janssen_et_al_5909.pdf 
 

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