Errores atmosféricos en GNSS (GPS). Estudio y eliminación. (8)

Los errores atmosféricos en GNSS, suponen una parte muy importante de los errores en GNSS. Cuando hablamos de errores atmosféricos en GNSS tenemos en cuenta los causados por la ionosfera y también los causados por la troposfera.

Para hablar del error ionosférico, deberemos en primer lugar introducir de forma breve la ionosfera y sus características. La ionosfera es la capa comprendida entre 80 o 100 y 1000 km de altitud. Las radiaciones ultravioleta, solar y otras ionizan una porción de las moléculas gaseosas liberando electrones. Un medio en el cual la velocidad de propagación de la onda electromagnética depende de la frecuencia es un medio dispersivo, y la ionosfera es un medio dispersivo, su índice de refracción depende de la frecuencia y afecta de distinta forma a la fase que al código, por ello las señales GPS sufren retardo o adelanto según sea fase o código. Lo más interesante es que al ser la ionosfera un medio dispersivo, esta situación permite que con dos frecuencias L1 y L2 se pueda eliminar el efecto ionosférico, por una combinación lineal de frecuencias. La combinación lineal que elimina este efecto es la llamada libre ionosfera o L3.

Para poder explicar el comportamiento de la onda portadora y el código, procedentes del satélite, en su propagación por la ionosfera, calcular el retraso ionosférico y definir los modelos o sistemas de eliminación del efecto ionosférico, se necesita establecer la relación entre índices de refracción y velocidades. La primera cuestión radica en averiguar si las ondas al pasar por la ionosfera se retrasan, adelantan, o no varían respecto a la propagación de esa misma señal en el vacío.

En esta presentación se demuestra que en la ionosfera los códigos GPS se retrasan y las portadoras GPS se adelantan. En lo que respecta a la distancia geométrica medida entre el satélite y el receptor, las pseudodistancias medidas con códigos son demasiado grandes y las pseudodistancias medidas con fase son demasiado pequeñas.

Para poder entender los efectos del error troposférico en GNSS deberemos primero conocer qué entendemos por troposfera. La troposfera, tropopausa y estratosfera, a efectos de la propagación de las ondas GNSS, se consideran una capa única, a la que se denomina troposfera, se trata de un medio no dispersivo, con lo que su impacto no depende de la frecuencia, de manera que afecta a la modulación del código y a la fase de la misma forma. Se considera que esta capa alcanza hasta los 80-100 km de altitud, sin embargo el problema de retraso troposférico se produce en los 40 km más próximos a la Tierra. En los primeros 11 km la humedad juega un papel importante y en los comprendidos desde la Tierra hasta los 40 km, es donde la temperatura y presión son factores importantes.

El retraso producido por la troposfera puede llegar a alcanzar unos valores medios de 2,5 m en el cenit y se incrementa hasta los 25-30 m con la cosecante del ángulo de elevación, es decir unos retardos entre 3 y 100 nanosegundos.

Los principales efectos que la atmósfera puede producir sobre las ondas de radio son los siguientes:

  • Atenuación atmosférica
  • Centelleo troposférico
  • Refracción troposférica ocasionada por la humedad y sequedad de la atmósfera
Errores atmosféricos en GNSS (GPS)

Portada presentación «Errores atmosféricos GNSS (GPS)»

Para poder reducir los efectos de la troposfera en las ondas GNSS y conseguir precisiones aceptable para Topografía y Geodesia, los retrasos troposféricos cenitales se obtienen a partir de modelos troposféricos; los modelos más utilizados son el de Hopfield (1969) y el de Saastamoinen (1972), aunque existen otros como Ifadis, Goad Goodman, Black, Lany, Niell… Estos modelos dependen de la presión, temperatura, humedad y altitud.

El retardo depende de la ruta de la señal a través de la atmósfera neutra y por eso se debe modelar en función del ángulo de elevación del satélite. El retardo calculado sólo para la observación cenital, necesita de funciones de proyección para retardos diferentes a observables cenitales, y por eso se han desarrollado funciones de mapeo, como la desarrollada por Marini, Niell, Viena, Global Mapping etc.

Esta presentación describe la problemática de dos de los errores de mayor influencia en GNSS, los errores atmosféricos en GNSS: el error ionosférico y el troposférico; así como de las maneras eliminarlos o minimizarlos. La eliminación o disminución de estos errores hace posible el uso de la tecnología GNSS para fines de Topografía y Geodesia pudiéndose alcanzar en tiempo real precisiones centimétricas en tiempo real y submilimétricas en post-proceso.

13 comentarios de “Errores atmosféricos en GNSS (GPS). Estudio y eliminación. (8)

  1. Muy completo tu analysis, me ha servido enormemente, muy agradecida, si pudieras compartir algunas bibliografias, estoy haciendo un master en GNSS y este tema me encanta.

    • Buenos días,
      Tenemos un libro publicado en la editorial de la UPV (precio bastante bajo) que lleva por título «GNSS. GPS: fundamentos y aplicaciones en Geomática», creo que es una recopilación bastante completa, en español.
      Libros en inglés hay muchos:
      Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., Wasle, E. (2007). GNSS. Editorial Springer Wien New York.
      Leick (2004). GPS Satellite Surveying. Editorial Wiley. New Jersey.
      Seeber (2003). Satellite Geodesy. Editorial Walter de Gruyter. Berlin. New York.
      Xu (2003). GPS Theory, algorithms and applications. Editorial Springer. Berlin New York.
      Navipedia.net
      Espero que te ayude.
      Gracias por tu comentario.

    • Creo que en formato digital exclusivamente no se puede, pero es la editorial la que se encarga de la distribución. Gracias por el interés.

  2. Buenas noches Natalia, mi nombre es Breiner Peñaranda, soy estudiante de Ingeniería Topográfica, estoy realizando una investigación sobre la variabilidad en las coordenadas del posicionamiento GNSS, aplicando diferentes modelos de corrección (ionosférico-troposférico) a partir de los archivos Rinex (utlizando como herramienta matlab).
    Actualmente calcule la coordenada a partir de la información del Rinex y al resultado le aplique los modelos de Klobuchar, Hopfield, Hopfield modificado Y Saastamoinen, pero no he encontrado código fuente de otros modelos. Te escribo con el fin, de si conoces alguna página para descargar algún código fuente (no importa el lenguaje de programación) o tu tienes información o algún libro.
    Estaré atento a cualquier respuesta

      • Buenas tardes,
        Ya solucioné lo de los modelos y los logre aplicar (troposferico de NB (Collins) y el de Nequick), actualmente solo estamos estancados con el modelo de simples diferencias (entre satélites), solo encontrado información detallada del modelo de simples diferencias (dos receptores) y el de dobles diferencias, pero del de simples diferencias entre satélites solo encontré la formula general, la aplique y me genere un posicionamiento en Km de error lo que obviamente está mal. Sí tiene alguna información detallada referente a ese modelo sería de gran ayuda.

        Muchas gracias por tu tiempo.
        atentamente
        Breiner Peñaranda

    • Buenas tardes, quisiera saber cuanto pueden cambiar las coordenadas de un punto posicionado usando diferentes modelos (ionosférico-troposférico) en el sofware de procesamiento.

  3. BUENAS TARDES QUISIERA SABER CUANTO PUEDE CAMBIAR UN PUNTO POSICIONADO USANDO DIFERENTES MODELOS (ionosférico-troposférico) EN UN SOFWARE DE PROCESAMIENTO GPS

    • Hola Yeison,
      De pendiendo de qué precisión necesites, es necesario utilizar unas u otras correcciones.
      Para las precisiones estándar de topografía es suficiente con utilizar un modelado de la troposfera y con doble frecuencia se elimina el error ionosférico.
      Un saludo

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