Wednesday, March 15, 2006

GPS for engineers

Cuando estuve contando mi viaje en planeador, McLera me comentó que debería contar un poco lo que hacemos en el proyecto, y eso pretendo en este post.

Para empezar, la primera cosa que voy a aclarar porque me lo han preguntado 10 millones de veces es ¿Que tiene que ver GPS con el planeador? La respuesta corta es nada. Es más aproximadamente el 80% de las cosas que hacemos en el proyecto las podriamos hacer dando una vuelta con el coche en vez de con un planeador. Pero la cuestión es, ¿por qué hacer un proyecto aburrido cuando puedes hacer uno donde te lo pases genial y que encima llame más la atención?


Trayectoria del primer vuelo. Aqui no hemos aplicado casi ninguna corrección todavia era para probar el sistema de mapeado

Aclarado esto, empecemos desde el principio con una breve explicación de como funciona GPS. (Las siguientes lineas las he reescrito 4 veces intentando cada vez hacerlas mas comprensibles por más gente, espero haberlo logrado)
Los satelites GPS transmiten dos cosas, por un lado datos, con los que el receptor sabe donde esta el satelite y las correcciones que debe aplicar, y por otro lado pulsos. El receptor recibe los pulsos, y a partir de los datos puede saber cuando fue transmitido, de manera que sabe cuanto tiempo le ha costado al pulso llegar. A partir de ese tiempo, y con ciertas correcciones, el receptor calcula la distancia a los satelites. Sabiendo la distancia a ellos, sabe que se encuentra en una esfera de ese radio alrededor del satelite. El punto donde se cortan las esferas es donde esta.

En el proyecto los receptores nos dan datos crudos, es decir, no nos dan posiciones sino distancias a satelites con todos los errores (pseudorangos) en una tabla ASCII, y nosotros hacemos todo el procesado de datos en Matlab.

Calculamos posiciones, velocidades, aplicamos correcciones, estimamos la influencia de cada uno de los errores, calculamos precisiones, y ese tipo de cosas. Ya de paso, utilizamos los datos GPS para calcular las energias en el planeador, ver como va perdiendo energia por rozamiento, y como la gana con las corrientes termales.


Trayectoria del segundo vuelo, también sin practicamente correcciones

Para los que controlen un poco mas de GPS, les dire que hemos utilizado GPS diferencial relativo, ya que no habia ninguna posicion conocida en el aeropuerto. Le hemos aplicado un suavizado con las diferencias de fase de la portadora, y hemos utilizado una mascara de elevacion de 7.5 grados. Hemos asumido errores iguales en la ionosfera para los dos receptores, esta suposicion estoy seguro de que sera buena, y en cambio no tan buena es que hemos asumido mismo error en la troposfera. Esta segunda es mucho mas cuestionable, pero simplemente es demasiado dificil estimar condiciones variantes en el planeador, y esperamos que eliminando los satelites de baja elevacion no afecte demasiado. Mas o menos la idea es que con el DGPS nos cargamos ionosfera, troposfera, y bias del reloj del satelite, y con el suavizado con la fase de la portadora reducimos el multipath y el ruido del receptor. Para calcular energias potenciales tenemos que asumir una posicion de la estacion base, pero tomando medias esperamos que el error sea de pocos metros, y comparado con el radio de la tierra probablemente influya poco.

Y bueno, eso es todo. Por cierto, a que han quedado chulas las imagenes de los vuelos. Creo que el sistema de representar datos que hemos usado es de lo mejorcito que hay.

7 comments:

McLera said...

Buenas y santas,

estupenda entrada. Algo así me esperaba.

Se me ocurren muchas preguntas, pero no se si es tu intencion hacer demasiado tecnico el blog.

No me gustaria dejar escapar la oportunidad de pedirte que nos comentaras como introduce el administrador del sistema GPS su error para que la medida no sea demasiado precisa. ¿Lo hace en el bias del reloj? ¿es aleatorio?. ¿Conoces a partir de que velocidad los receptores GPS dejan de funcionar?.

Espero que no te molesten mis consultas, no conozco demasiado el tema GPS, pero me despierta la curiosidad.

Un saludo.

Pablo said...

Hola.
no no me molesta ninguna consulta, me encanta hablar de temas técnicos.

Sobre el error introducido por el administrador del sistema, llamado Selective Availability, lo primero que debes saber es que se desconecto en el 2000, lo que o quiere decir que tengas la misma precisión que los militares como luego explicaré.

Anteriormente lo introducía a través del bias del reloj del satelite. Como esa informción te la da el satelite simplemente mentía. Era un error con distribución gaussiana.

¿Por qué lo desconectaron? Dos mótivos. Principalmente en el 2000 Europa plantea por primera vez Galileo. Así que USA trató de incentivar el uso de GPS. Segundo, porque en realidad estaba haciendo más bien poco, ya que se estaban extendiendo más y más los sistemas de GPS diferencial que eran inmunes a este error.

El hecho de que este desconectado no quiere decir que tengas la misma precisión que los militares. Los militares tienen poco menos que un order de magnitud más de precisión, esto se debe a que las señales civiles y militares no son iguales.
La señal civil usa codigos a 1MHz de velocidad de chip (pulso) y solo hay a una frecuencia, los militares usan señales a 10MHz y dos frecuencias (vale, hay receptores civiles que usan dos frecuencias, pero es porque consiguen hacer uso de la segunda señal militar sin desencriptarla y entonces las medidas son muy sensibles).

De manera que GPS ahora mismo da todo lo que puede dar. Se supone que esta en marcha el plan de modernización para tratar de contrarestar Galileo, pero lo cierto es que con el tema de la vuelta a la luna los presupuestos se ajustan.

Respecto a la velocidad a la que deja de funcionar, si te refieres a limitaciones militares, te diré algo que te sorprenderá, depende del receptor, es decir, que no pueden controlarlo. La idea es que nadie usará GPS para guiar misiles balisticos, y por tanto se obliga a los fabricantes a limitar su funcionamiento en un rango de alturas y velocidades. Sin embargo, solo pueden obligar a los americanos, no a los extranjeros. No solo eso, sino que se dieron cuenta que estaba bien usarlo para posicionamiento de satelites LEO (400Km de altura y unos 30.000Km/h) de manera que evidentemente también ellos hacen receptores no limitados.

Si en realidad te referías a limitaciones civiles, entonces simplemente depende de la calidad del receptor,y de cuanto sea capaz de busar en frecuencia, ya que la señal sufre efecto Doppler. Pero como te contaba hay receptores funcionando a 30.000Km/h, así que no es un limite del sistema.

Meg said...

Yo me leo todas estas cosas, pero sigo sin entender nada. Debo tener alguna conexión cerebral suelta, seguro.

Por cierto, ¿te has enterado de la polémica Eduardo Zaplana-Teresa Fernández de la Vega?

(Que aunque no me entere, a mí me encanta que hables de tus estudios, de verdad).

Y que te conste que yo presumo mucho de que "conozco" a un chico que está en Stanford con una beca de la Caixa estudiando... noséqué de comunicaciones, jajaja.

Pablo said...

Meg,
no me doy por vencido, puede que haya fallado con GPS, pero la proxima vez que hable de algo técnico tengo que conseguir hacerlo para todos los públicos.
No me acuerdo quien decía aquello de que "No entiendes algo bien hasta que no eres capaz de explicarselo a tu abuela", si no se entienden las cosas, es culpa del comunicador. ejej


Un abrazo!

MERI said...

HOLA SOY MERI DE REUS(TARRAGONA),TRABAJO EN UNA AGENCIA DE VIAJES Y ME INTERESARIA MUCHO QUE ME EXPLICARAS COMO Y DONDE SE PUEDEN COMPRAR LOS TICKETS PARA ALCATRAZ, HE VENDIDO UN VIAJE A SAN FRANCISCO Y LOS CLIENTES ME LO HAN PREGUNTADO.
POR CIERTO ME ENCANTA COMO TE EXPLICAS NEN!! ;)
SALUDOS!

Pablo said...

yo los compre aqui, pero hay muchas más que aparecen googleando alcatraz tickets, o bien se pueden comprar directamente en el puerto.

Duval said...

HOLA PABLO, PERTENESCO A LA FUERZA AEREA DE UN PAIS LATINOAMERICANO, Y ESTOY INTERESADO EN ASPECTOS QUE TOCAS RESPESTO A LOS GPS EN PLANEADORES, ME GUSTARIA TOMAR PARTE DE LO QUE ESCRIBES Y SI ES POSIBLE ME DIERAS FUENTES DONDE PUDIERA ADQUIRIR MAS INFORMACION. GRACIAS POR SU ATENCION, ESPERO SU RESPUESTA.