Por Saa González y Capilla R.M.
Con la implantación de Redes Geodésicas Activas GNSS que proporcionan Solución de red para posicionamiento en tiempo real RTK producto del modelado con todas las estaciones GNSS (técnicas RTCM 3.1 Network, Virtual Reference Station, Master Auxiliary Concept), actualmente es posible el posicionamiento en tiempo real en cualquier punto con precisión homogénea dentro del área de cobertura de la red. En el siguiente artículo se presentan diversas alternativas, dispositivos y escenarios, para zonas donde haya limitaciones de cobertura GPRS en transmisión de datos para trabajos topográficos o posicionamiento en tiempo real, así como el diseño y rendimiento de un repetidor de solución modelada de red RTK, monitorizado y gestionado por el centro de control, que redistribuye la solución modelada RTK de una red geodésica activa de estaciones de referencia GNSS.
1. Introducción
El modo uni-direccional de emisión de correcciones diferenciales GPS, o también denominado modo “broadcast”, implica al receptor rover en la tarea de simple aplicación o interpolación de correcciones atmosféricas o de efemérides, (errores dispersivos y no dispersivos de la señal), que son transmitidas por una red GNSS. Es con este modo como también se denomina a la tradicional emisión por radioenlace UHF en la arquitectura base individual –receptor GNSS móvil.
En cuanto a la emisión de solución de red RTK, entre las primeras técnicas de generación de correcciones de red, (modo bidireccional), hay que mencionar las primeras propuestas consistentes en el envío de correcciones geométricas e ionosféricas para cada satélite y cada estación de referencia, en detrimento del ancho de banda necesario. Un esquema alternativo es producir un modelo de error que describe las correcciones ionosféricas y geométricas para cada satélite a lo largo de toda una región o red, no incrementándose el ancho de banda para transmitir las correcciones con el número de estaciones de referencia. La desventaja es que el modelo de correcciones debe ser lo suficientemente descriptivo y representativo de los errores a lo largo de toda una red que cubra un territorio muy extenso.
En el caso de las correcciones generadas a partir de las soluciones de red actuales, éstas son producidas a partir de un modelo matemático teniendo en cuenta varias estaciones de referencia. Existen una variedad de técnicas para la generación de correcciones en Solución de Red de una Red RTK (VRS, MAC, FKP).
El enlace bidireccional es el que comúnmente emplea la solución de correcciones de red RTK, al necesitar el procesador la posición aproximada del móvil en forma de sentencia NMEA-GGA, siendo utilizado el protocolo NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) para transmisión de correcciones diferenciales a través de Internet, a través del acceso al servidor – caster de la red.
Es posible, sin embargo, que existan zonas del territorio sin cobertura GPRS/3G para establecer dicha conexión en campo y llevar a cabo la recepción de datos desde un caster NTRIP, pero para las cuales se pueda generar correcciones de red, que puedan ser soportadas por las radios de las que disponen los receptores GPS. Ello es posible, si el protocolo NTRIP se re-direcciona a través de otro tipo de dispositivos como repetidores de UHF o se integra con adaptadores en la parte cliente. Este re-direccionamiento, o re-emisión de la solución de red se puede realizar, no sin ciertas consideraciones.
2. Hardware estudiado para distintos escenarios
Básicamente los escenarios estudiados se pueden dividir en dos tipos: los que dependen de la parte cliente y los que vendrían de la parte del servidor. A efectos prácticos, los que dependen de la parte cliente, podrían ser implementados por el usuario que conecta a la red de estaciones permanentes. Tienen la desventaja para el usuario, de tener que ubicar el repetidor en zona óptima con cobertura GPRS debiendo, además, de ir provisto de dispositivos adicionales y no deshacerse de la radio emisora.
1) Escenario dependiente de la parte cliente: El escenario 1 es básicamente un dispositivo móvil, ya sea PDA, laptop o libreta electrónica conectada al repetidor y transmitiéndole el flujo de correcciones.
Este escenario, si es implementado por el usuario, le proporciona control total sobre el tipo de correcciones que desea reenviar a la radio del usuario final. Sin embargo es una solución poco compacta al tener que depender de un dispositivo adicional en el emplazamiento en que se sitúe la radio emisora como repetidor (Figura 1).
Figura 1
Un programa cliente es el encargado de recibir las correcciones diferenciales, efectuando una conexión al servidor-caster, estaríamos hablando, por tanto, de la opción de repetidor estático basado en un dispositivo, ubicado en un punto con posibilidad de conexión a internet. El cliente re-direcciona las correcciones en el formato estándar RTCM por una salida RS232 hasta la radio. Adicionalmente, en el cliente NTRIP se pueden introducir las coordenadas de ese repetidor determinadas previamente de manera que le llegue una solución tipo VRS o de correcciones de red para ese punto.
1.1) Soluciones ya implementadas: También existen soluciones comerciales ya implementadas, tal y como los dispositivos tipo smallTRIP en los cuales las correcciones son recibidas a través de GPRS/GSM. Utiliza el protocolo NTRIP para comunicarse con los cáster o puede también conectarse directamente a una dirección de Internet vinculada a una estación de referencia. Hoy en día este tipo de unidades son usadas en Europa, Asia, Oceanía y Estados Unidos, en diferentes tipos de redes GNSS gestionados por diversos softwares (GPS-Spider, GPSnet y GNCaster) y han sido testeados en diversas gamas de receptores rover, es principalmente un dispositivo muy útil en equipos no preparados para protocolo NTRIP o para trabajar a través de un repetidor.
En agricultura de precisión o guiado de maquinaria, estas unidades son utilizadas muy a menudo en aplicaciones altamente automatizadas permitiendo emitir y recibir datos únicamente encendiendo la unidad, según los esquemas de las figuras 2 y 3.
Uno de los inconvenientes más comunes que limitan el uso de la transmisión de correcciones vía GPRS en agricultura suele ser la falta de cobertura de telefonía móvil en algunas áreas rurales. En este caso el uso de repetidores puede ayudar a solventar esta limitación.
Otra característica de este dispositivo es la posibilidad de conexión en modo módem-GSM para conectarse a una estación de referencia en modo “módem a módem” (M2M), con este tipo de conexión se establece una transmisión de datos más estable en zonas donde debido a las características de la red GSM no sea aconsejable el uso de transmisión de datos vía GPRS (ya sea debido a la saturación de celdas GPRS o a que la cobertura de datos GPRS/3G no sea suficiente).
Figuras 2 y 3: Aplicabilidad en trabajos de agricultura
La configuración es sencilla, vía mensaje SMS, o mediante conexión a PC, o incluso a través de pre-configuración de la tarjeta SIM. También es posible recibir el estado de la unidad vía SMS.
Pueden conectarse automáticamente a una estación de referencia o solución de red predeterminada, siguiendo una lista de Mountpoints disponibles que se actualiza continuamente, sin necesidad de reconfigurarlo cada vez. El proceso de conexión y desconexión puede ser fácilmente controlado por otros dispositivos en remoto vía interface.
En aplicaciones topográficas puede ser empleado en campo junto a un receptor GPS para RTK. Además existe una versión de la unidad que incorpora un GPS interno (con 20 canales y alta sensibilidad) para facilitar la adaptación de receptores rover GPS en caso en que éstos no dispongan de salida NMEA-GGA o controladores no compatibles con NTRIP. Las últimas versiones de las placas que incluyen los dispositivos son excelentes en caso de combinar correcciones vía NTRIP y radio-enlaces. No obstante, el rendimiento puede resultar crítico en trabajos de precisión según que tipo de correcciones estemos re-direccionando a través del repetidor. Si se trata de la solución de base simple estará sujeto a la dependencia de la distancia del rover a la base, pero si es solución de Red RTK habrá que estudiar la degradación de la precisión por emplear una posición NMEA establecida a priori para encapsular así las correcciones.
Figura 4:Unidad Smalltrip+Radio Satel (Cortesía de Mercatop)
Figura 5: Unidad Smalltrip+Radio Trimtalk (Ensamblaje propio)
2) Escenario dependiente del proveedor de correcciones de red DGPS/RTK.:
Al contrario que otros repetidores móviles existentes, que implican llevar un dispositivo adicional más por parte del operador de campo, dejarlo en una zona con cobertura GPRS para que reciba las correcciones del servidor -caster y posteriormente difundirlas vía UHF (Crudacce. 2006), se puede adoptar otro tipo de soluciones. Se han testeado repetidores estáticos a modo de radio-enlace en aquellas zonas con problemas para enlaces por protocolo NTRIP.
Las características de este repetidor que lo diferencian del anterior escenario son las siguientes:
– El repetidor está conectado a Internet permanentemente, pudiendo controlar desde el centro de control su status.
– Proporciona una alternativa económica, eficiente y segura para el envío de correcciones en formato RTCM a los usuarios y no supone una carga de dispositivos adicionales al operador de campo. Su instalación es fija y no depende de la parte cliente, que solo debe incorporar la radio interna del GPS móvil.
Figura 6: Ensamblaje utilizado conversor Ethernet-RS232
El ensamblaje del instrumental está formado por un conversor de Ethernet a puerto serie tipo Digi, Lantronix o Moxa, conectado a Internet en una localización remota. A su vez, se encuentra conectado a una radio tipo Satel o TrimTalk, de manera que los paquetes de datos que le llegan por internet son transformados a RS-232 por medio de un cable adaptador que conecta con la radio que será la encargada de transmitir las correcciones a nuestro receptor móvil vía UHF. De esta manera, el centro de control y en concreto el servidor-caster es el que efectúa la conexión hacia el repetidor y es el que transmite el flujo de correcciones RTCM o stream elegido a la dirección IP del conversor Ethernet conectado a la radio base del equipo topográfico.
Una alternativa al conversor, sería conectar la radio a un modem GPRS que permita programación interna para asignación de una IP fija y así poder monitorizarlo y configurarlo desde el mismo centro de control.
Como se ha comentado, a la hora de implantar el repetidor, y más aún si este re-direcciona una solución de Red RTK, se debe tener en cuenta diversas cuestiones que afectan al rendimiento y la operatividad del mismo. Dichos factores son la determinación del clúster o subconjunto de estaciones GNSS para el cual se genera la Solución de Red RTK, las coordenadas y ubicación de la radio, y el tipo de solución de red que se utiliza, entre otros. Previamente, es necesario un estudio de estos aspectos para conocer cómo afectan a la precisión final obtenida, con el fin de seleccionar la ubicación más óptima para el repetidor.
3. Rendimiento
En este análisis se han testeado correcciones provenientes de diversas técnicas de solución de red, para re-direccionarlas por medio del repetidor diseñado.
Tipo de Solución de Red RTK a enviar.
Principalmente se han probado dos tipos de soluciones de red para emitir a través del repetidor:
– Solución de red RTCM 3.1 (RTCM 3 NETWORK): A través de la emisión de mensajes de red 1014-1017 definidos por el Special Committe SC-104, para el formato RTCM 3.1 de red, se envían los parámetros correspondientes al modelado de errores dispersivos (ionosfera) y no dispersivos (geométricos).
Una de las características de esta técnica de solución de red, es que están optimizados para ser enviados tanto en modo bidireccional como unidireccional desde el centro de control. Si escogemos el modo unidireccional, (broadcast), se genera la solución a partir de una estación principal (Master station) predefinida y el resto de estaciones o subconjunto de estaciones pero con la diferencia de que se conforma lo que denominamos un clúster de red GNSS pre-configurado.
– Aprovechando esta característica de los mensajes de red RTCM 3.1, es posible, generar correcciones diferenciales de red RTK, en un centro de control, enviarlas por protocolo NTRIP y a su vez re-direccionarlo a través de repetidores de radio tipo Pacific crest o Satelline para trabajos topográficos con RTK.
– Virtual Reference Station (VRS): Modela residuales de todas las estaciones o subconjunto de estaciones, generando las correcciones que emitiría una estación de referencia virtual próxima al receptor móvil. Este modelado de solución de red permite el envío en formato RTCM o CMR y requiere comunicación bidireccional normalmente. Para los propósitos de test del presente trabajo, a la hora de emitirla se ha ensayado su emisión en modo unidireccional especificando unas coordenadas del repetidor en el centro de control. Es decir estaríamos emitiendo las correcciones de una estación de referencia virtual predefinida.
Ello determina que el modo de enlace bi-direccional propio para la encapsulación de correcciones de Red RTK pasaría a modo uni-direccional. El modelo matemático de correcciones de red correspondientes al rover, generado en el procesador de la red, se genera a partir de una posición predefinida, no actualizándose en el centro de control la posición real del rover si este se desplaza en un radio.
a) Rendimiento de la Solución de Red RTK a través de un repetidor (modo bidireccional Vs unidireccional) .
Dado un subconjunto o clúster de estaciones permanentes, distribuido según la figura 7, uno de los pasos previos ha sido determinar las diferencias en rendimiento entre la solución de red emitida en modo unidireccional y modo bidireccional, la latencia de llegada y tiempos de inicialización. Para el modo unidireccional se empleó en la parte cliente (rover) la radio del receptor y en la parte del servidor se emitió solución modelada de red tipo VRS en modo unidireccional, transmitiendo los paquetes RTCM que transportan las correcciones a una radio-repetidora que funciona en modo autónomo (sin ninguna base GPS, en la forma explicada en 2).
Figura 7
Las coordenadas iniciales han sido asignadas en el centro de control, por lo tanto no se corresponden con la sentencia NMEA real que enviaría el receptor, aunque se presupone equivalente y hay que evaluar su validez.
Después se midieron las mismas posiciones utilizando correcciones vía NTRIP recibidas directamente a través de GPRS y solucion de red esta vez en modo bidireccional.
Tabla 1. Diferencias en rendimiento-precisión emitiendo en modo unidireccional-bidireccional
De la tabla se deduce en cuanto a tiempos de inicialización obtenidos en las pruebas 1, 2 y 3 son similares a los obtenidos en la solución de Red VRS en modo Bidireccional. El hecho de utilizar las correcciones diferenciales recibidas desde el servidor de monitorización y re-direccionadas a través de un repetidor, no ralentiza el proceso de inicialización, puesto que hay otros factores que tienen una mayor influencia como la constelación disponible.
Por lo que respecta a las latencias, el valor de la latencia sigue condicionado a la calidad de la conexión a Internet, en condiciones normales el envío de correcciones desde el repetidor de radio hasta el receptor móvil no debe producir problemas relacionados con la latencia, puesto que el retardo en la transmisión de correcciones vendrá condicionado por la propia estructura del envío de paquetes de información desde las bases al centro de control.
En cuanto a las discrepancias en coordenadas obteniendo solución de red en modo unidireccional y bidireccional se puede apreciar que la diferencia en planimetría es en torno a 1 centímetro y no se ven afectadas significativamente al variar la distancia y coordenadas iniciales del repetidor, salvo en cota lógicamente, al modelar gradualmente peor los residuales del subconjunto de estaciones.
b) Determinación del Clúster óptimo de estaciones para emisión de correcciones a través de repetidor.
En un clúster o subconjunto de la red, (figura 8), las estaciones que lo forman son procesadas juntas para conseguir un mejor nivel de resolución de ambigüedades. Una red pequeña puede estar englobada en único clúster. Cada clúster dentro de una red puede tener o no el mimo nivel de integridad. El número y la situación geométrica de las estaciones de referencia elegidas para formarlo influirá sobre la solución modelada de red calculada.
Figura 8
Se ha diseñado varios clúster para analizar el rendimiento de la solución de red RTK generada para cada uno de ellos.
La serie de datos tomada en este apartado se divide en dos tipos: la primera ha sido variando los clúster generadores de la solución de red. La segunda serie de datos se ha tomado en base a otros parámetros: seleccionados dos clúster más óptimos por número de estaciones participantes, en ellos se ha ido incrementando la distancia al punto para el que se genera la solución de red o coordenadas atribuidas al repetidor de radio.
En principio, el centro del clúster parecería la opción más lógica, no obstante, por necesidades y problemas de cobertura puede resultar necesaria la ubicación del repetidor en otra zona.
Tal como se puede observar en la figura 9 durante los test se han ido variando las coordenadas del repetidor (R1,R2,R3,R4…), siendo las del repetidor 1 las más cercanas a la zona de los puntos y las del 4 las más lejanas a 29 kilómetros de la zona de estudio.
Figura 9: Distribución de repetidores de radio para redirección de streams NTRIP
Tabla 2.-,Repetidor en el centro
del clúster, promedios de series de datos tomados.
Valores ajustados GRS80–valores
observados solución de red RTK re-direccionada vía radio
No existe apenas diferencia entre los clúster 1 y 2, teniendo el repetidor situado en el centro de los mismos, si bien, vemos que en el caso el tercero (el formado por menos estaciones), presenta mayores discrepancias y proporciona menos garantía en la generación de solución de red. En cuanto a la distancia de la zona de trabajo al punto para el que se ha generado la solución de red, es necesario comentar que mientras las coordenadas del repetidor para las que se han creado las correcciones, no se encuentren demasiado lejanas, en torno a los 10 kilómetros, las correcciones son válidas (Caso R1, R2). No siendo así al incrementar la distancia del repetidor, ya que en el caso de R3 y a distancias mayores, (R4), en el que las coordenadas del repetidor se encuentran alejadas más de 30 kilómetros de la zona de trabajo, las discrepancias excederían.
En el siguiente grafico y tabla se adjunta la serie de datos tomada, siguiendo los criterios adoptados para la segunda serie de datos:
Tabla 3.-Valores ajustados GRS80–valores observados solución fija RTK. Unidades en metros
En la figura 10 se puede apreciar de forma gráfica las variaciones obtenidas en X, Y, h según las coordenadas iniciales del repetidor y la configuración del clúster de estaciones utilizadas.
Figura 10: Repetidores 1 y 2 emitiendo vara varios clúster de estaciones (C1,C2, C3). Unidades en metros
Las coordenadas del repetidor 1 son las más cercanas a la zona de trabajo. Se puede apreciar entre los puntos medidos utilizando los repetidores 1, 2 y 3 la variación en coordenadas que se produce y el empeoramiento en el repetidor 3. Prestando atención al clúster utilizado, se concluye que no existen diferencias significativas utilizando el C1 (clúster 1) o el C2 (clúster 2), pero si según la ubicación del repetidor.
5. Conclusiones
Es posible generar la solución de red en modo unidireccional (es decir, especificando coordenadas iniciales en el centro de control equivalentes a la posición real NMEA de un receptor rover). Ello conlleva las ventajas adicionales de proporcionar un método de emisión alternativo al NTRIP en zonas donde no haya cobertura GPRS o con el fin de aprovechar radios con las que van equipados muchos receptores rover, o una manera de abaratar las conexiones de los rover a las redes GNSS, teniendo únicamente que mantener activa la conexión del repetidor con el centro de control, y estudiando la zona para la que las correcciones reenviadas serán válidas una vez elegida la ubicación del repetidor. El hecho de utilizar las correcciones diferenciales re-direccionadas desde el servidor hacia el repetidor no empeora el proceso de inicialización. Esta alternativa, supone un servicio añadido, a la emisión por NTRIP, que elimina el problema de cobertura GPRS y una mejora con respecto al modo tradicional de trabajar de las radios que emiten las correcciones de estación simple punto a punto (estación –rovers ), puesto que lo que emite la radio no es la solución de estación simple, sino la solución de red RTK.
Los escenarios desarrollados no implican fuertes inversiones económicas, además son sencillos de instalar y desarrollar. De forma que pueden ser un complemento útil a tener en cuenta.
Dispositivos compactos como smallTRIP +GPS que pueden ser utilizados tanto como para transmitir las correcciones vía NTRIP al receptor GPS o al repetidor de forma semi-automatizada, suponen una solución muy versátil y fácil de utilizar. Este dispositivo al contar con un GPS interno que proporciona una posición aproximada del mismo, hace que iniciar un equipo repetidor sea realmente sencillo. Por otro lado, el uso de repetidores también puede maximizar la productividad de una conexión NTRIP, además de tratarse de una alternativa económica, ya que al poder re-distribuir correcciones generadas a partir de diversas técnicas en modo uni-direccional permite a múltiples usuarios rover de una determinada zona acceder a las correcciones a través de una única conexión de radio (diversos servicios de redes GNSS de pago pueden tener restricciones en cuanto al uso de esta modalidad).
Figura 11: Unidad SmallTrip-smallTouch
Saa González,JM
SMALLTOUCH ApS •
Vestergade 6 • 8444 Balle • Denmark. josaagon@smalltouch.com
Capilla R.M.
Instituto Cartográfico Valenciano. GVA. Valencia. Spain.
6. Referencias
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