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¿Se puede lograr precisión centimétrica con receptores L1 de precio asequible?


La mayoría de los módulos GNSS disponibles hoy en el mercado, diseñados para uso recreacional y que encontramos en los dispositivos básicos actuales, son módulos GNSS-L1. Sin embargo, estos no necesariamente ofrecen las características necesarias para establecer la posición exacta de un objeto en el terreno con una precisión de sólo unos pocos centímetros. Para lograr este nivel de precisión usando un receptor GNSS-L1 se necesita un dispositivo que registre las observaciones GNSS en un medio de fácil acceso (un archivo que sea fácilmente transferible a una PC). Además, debe asegurarse de que estas observaciones incluyan mediciones de pseudodistancias, de la fase portadora así como mediciones Doppler (en la banda L1). Muchos dispositivos le brindarán acceso a estas observaciones pero no todos ellos incluirán mediciones de la fase portadora, lo que hace que sea imposible calcular una posición con una aproximación al centímetro. Realizar una medición adecuada de la fase portadora resulta esencial para calcular las posiciones con precisión centimétrica. Por último, su dispositivo debe contar también con un conector de antena externa que le permita utilizar una antena de calidad (instalada en un jalón de topografía). Además de mejorar la calidad de las señales recibidas, la antena externa permite conectar fácilmente el centro de la fase de la antena con el punto de interés que debe determinarse con precisión centimétrica.

¿Qué se entiende por un receptor de precisión L1 de precio asequible?

La mayoría de los fabricantes de GNSS que encontramos en el mercado ofrecen receptores GNSS-L1 de calidad (Trimble, Leica, Topcon, Javad). Todos tienen las características que se requieren para un posicionamiento con precisión centimétrica. No obstante, por lo general son bastante costosos y nos obligan a permanecer en un ecosistema bastante hermético.

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Cuando decimos “precio asequible” nos referimos a dispositivos que se basan en tecnologías desarrolladas por uBlox, NVS u otros fabricantes que ofrecen tecnología de calidad a precios equivalentes. Se trata de pequeños módulos GNSS que dan acceso a las mediciones que se requieren para hacer cálculos con precisión centimétrica. Estos módulos cuestan unas decenas de dólares americanos. Resulta obvio que una vez que se integran en una computadora portátil o en una caja específica, estas unidades pueden venderse al minorista por un precio entre US$1,000 y US$2,500.

Por este precio usted tendrá un receptor GNSS-L1 que le permitirá obtener una precisión centimétrica y en algunos casos incluirá una computadora portátil (cuando el módulo GNSS está integrado a una computadora portátil).

Modo estático: las limitaciones de un receptor L1 para lograr precisión centimétrica

Realizar las mediciones en modo estático es la manera más fácil de obtener posiciones con precisión centimétrica cuando se usa un receptor GNSS-L1. Esto implica instalar una antena 15 a 30 minutos por encima de los puntos de interés para adquirir suficientes datos para llevar a cabo los cálculos.

Una vez que haya transferido los datos a su computadora de escritorio, estos se combinarán con los datos provenientes de una estación de referencia en un software de postprocesamiento para determinar la posición de sus puntos de interés con precisión centimétrica en relación a la posición de su estación de referencia. La estación de referencia puede ser un receptor GNSS-L1 que usted opere en un punto cuyas coordenadas se conozcan o incluso una estación en una de las muchas redes existentes en el territorio.

Una de las limitaciones es la distancia que separa sus puntos de interés de su estación de referencia. Para los receptores GNSS-L1 se recomienda no exceder los 20 kilómetros. Más allá de esta distancia, los errores atmosféricos en los datos GNSS aumentan a un punto tal  que resulta imposible modelarlos adecuadamente para lograr una precisión centimétrica. Generalmente, recomendamos aumentar el período de observación para distancias más largas. Normalmente de 15 a 30 minutos son suficientes para lograr una precisión centimétrica en modo estático.

Cuando hablamos de posicionamiento con precisión centimétrica resulta importante conocer la posición exacta de la recepción de la señal dentro de su antena (centro de fase de la antena) cuando nos preocupa la altitud de los puntos de interés. Estas especificaciones de la antena deben ingresarse en el software de postprocesamiento con la finalidad de aplicar las correcciones apropiadas.

Por último, con un receptor GNSS-L1 las posiciones en modo estático se obtienen únicamente con software de postprocesamiento GNSS . Los resultados de posicionamiento estático raramente están disponibles en tiempo real.

Modo cinemático: Limitaciones de un receptor L1 para lograr precisión centimétrica

Los levantamientos topográficos cinemáticos, más conocidos como “Stop and Go” o “OTF”, con receptores GNSS-L1 requieren un poco más de cuidado. Es necesario comprender que con una sola frecuencia existen algunas limitaciones para lograr precisión centimétrica. No obstante, con el equipo adecuado, éste se presta perfectamente para diversos ejemplos de uso.

Existen dos temas que resultan importantes:

  1. La capacidad del módulo GNSS para detectar (usando su firmware) discontinuidades en las mediciones de la fase portadora, más comúnmente denominados “pérdidas o saltos de ciclo”; y
  2. Para recolectar suficientes datos como para resolver de manera correcta las ambigüedades de fase, resulta necesaria la continuidad de las observaciones GNSS de una época satelital a otra en por lo menos cinco satélites durante un período de tiempo mínimo de 30 a 40 minutos.

Por lo general los datos se graban usando un intervalo de un segundo sobre el terreno. Con este intervalo, es prácticamente imposible detectar las pérdidas de ciclo con una resolución de un ciclo cuando la antena se está moviendo. Normalmente debemos confiar en la capacidad del módulo GNSS de proporcionarnos esta información para cada época. Los firmware por lo general tienen acceso a altos índices de muestras, lo que les permite detectar saltos de ciclo en la señal de cada uno de los satélites e incluir esta información en las observaciones que registra el software de recolección de datos (el firmware puede detectarlos pero no corregirlos).

El segundo punto es importante para lograr una precisión centimétrica. La discontinuidad en las observaciones proviene por lo general de obstrucciones alrededor de la antena las cuales bloquean la señal y crean varias pérdidas de ciclo. Con un receptor GNSS-L1 se deben evitar lo más posible las ubicaciones con muchas obstrucciones. Para garantizar una precisión centimétrica, los datos registrados deben contener períodos de por lo menos 30 – 40 minutos consecutivos sin discontinuidades para al menos cinco satélites. Si se trabaja con un software de postprocesamiento  que permite usar coordenadas conocidas (durante el levantamiento) para inicializar las ambigüedades de fase, este período puede reducirse fácilmente. Además, si el software de recolección de datos sobre el terreno permite detectar discontinuidades de señal, el usuario puede reinicializar fácilmente en un punto en los alrededores para relanzar el levantamiento con precisión centimétrica.

Finalmente, se entiende que los receptores GNSS-L1 (abordando de manera correcta los puntos antes mencionados) que se usan en modo cinemático deben utilizarse en terrenos despejados, con pocas obstrucciones. En este caso, estos dispositivos combinados con la antena adecuada y el software de postprocesamiento adecuado darán resultados equivalentes a los obtenidos usando costosos receptores GNSS L1/L2.

El uso en medios abiertos tales como tierras de cultivo o cuerpos de agua son algunos ejemplos de medios diseñados para el uso de estos dispositivos en modo cinemático.

Unas cuantas pruebas en campo

Para ilustrar lo anteriormente expuesto, hemos llevado a cabo levantamientos topográficos en campo usando un receptor GNSS-L1 basado en tecnología NVS (Allegro 2 de Juniper que usa un módulo NV08C-MCM, GPS y GLONASS) y un receptor uBlox M8T (GPS y GLONASS). Llevamos a cabo levantamientos topográficos tanto en modo estático como cinemático. Los levantamientos se llevaron a cabo cerca de las oficinas de Effigis en Montreal en una red de diez (10) puntos cuyas coordenadas se establecieron con anterioridad usando receptores L1/L2 (LandPAK de Navcom, GPS y GLONASS).

Figura 1

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Red de puntos de referencia en sitio

Los diez (10) puntos se midieron en dos momentos diferentes (2 veces, 30 segundos de observación) usando un sistema GNSS de frecuencia dual (L1/L2) en combinación con datos provenientes de la estación de Montreal ubicada a 6 km del levantamiento. Las posiciones se obtuvieron con la ayuda de un software de postprocesamiento . Los resultados que se muestran en la Figura #1 son el resultado de ajustar las dos determinaciones (dos levantamientos independientes). Las desviaciones estándar obtenidas reflejan la precisión típica que se obtiene con un levantamiento topográfico que usa jalón de topógrafo (centrado a +/- 0.5 cm).

Levantamiento topográfico estático

Elegimos cinco puntos de referencia que ocupamos durante 15 minutos (con un intervalo de un segundo) con el receptor GNSS-L1 usando el módulo NVS (una sola ocupación por punto). Las antenas las mantuvimos en una posición fija con la ayuda de un jalón y un soporte bípode. La estación de referencia, que se usó para el postprocesamiento de los datos, está ubicada a 6.5 km del lugar de la prueba. La Tabla #1 presenta los resultados de las posiciones, las desviaciones estándar asociadas así como la discrepancia con respecto a los puntos de referencia.

Tabla 1: Discrepancia entre el levantamiento estático y la red de referencia (receptor NVS)

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Sin duda alguna, los resultados que se presentan en esta tabla demuestran que nuestro receptor GNSS-L1 puede determinar fácilmente posiciones centimétricas con 15 minutos de datos usando una estación de referencia ubicada dentro de 15 a 20 km. Todas las posiciones se obtuvieron durante el postprocesamiento. Como es evidente, las discrepancias aquí presentadas incluyen la imprecisión de la red de referencia, la que probablemente esté en el rango de +/- 0.5 cm.

Levantamiento topográfico cinemático

Llevamos a cabo un levantamiento de 37 minutos consecutivos usando el receptor NVS (GNSS-L1). Durante este período, medimos en dos momentos diferentes cada uno de los puntos del lugar de referencia (2 veces, 30 segundos de observación). La Tabla #2 presenta los puntos ajustados (que provienen de nuestras dos determinaciones), las desviaciones estándar obtenidas del ajuste así como la discrepancia con las posiciones de referencia obtenidas usando el receptor de doble frecuencia L1/L2.

Tabla 2: Discrepancia entre el levantamiento cinemático y la red de referencia (receptor NVS)

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Repetimos el mismo ejercicio usando un receptor uBlox M8T. El levantamiento se escalonó a lo largo de un período de 36 minutos. También se midieron los puntos en dos momentos diferentes, durante 30 segundos. La Tabla #3 presenta los puntos ajustados (que provienen de nuestras dos determinaciones). La información presentada es la misma que la Tabla #2.

Tabla 3: Discrepancia entre el levantamiento cinemático y la red de referencia (receptor uBlox)

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Algunos lectores podrán sorprenderse al ver que la discrepancia proveniente de los puntos de referencia está en el orden de los centímetros. Debemos admitir que una computadora portátil equipada con un receptor que cuesta solo unas decenas de dólares puede lograr con relativa facilidad la precisión que alcanza un costoso receptor de frecuencia dual si se usa correctamente. Claro está, este levantamiento se llevó a cabo en un medio relativamente sin obstrucciones.

¿Una posición centimétrica proveniente de un receptor GNSS-L1 es tan precisa como la de un receptor GNSS L1/L2?

De hecho, cuando se usa un receptor L1/L2 para calcular posiciones al interior de 10-15 km a partir de su estación de referencia, la mayoría del software (en RTK o PP) usa únicamente la banda L1 para reducir el ruido en la señal. El efecto es mejorar la calidad de las posiciones estimadas. Esto también es lo que se usa con nuestro receptor GNSS-L1 ya que sólo se dispone de la banda L1.

No obstante, la segunda frecuencia (L2) de los receptores L1/L2 se usa para detectar y corregir las pérdidas o saltos de ciclo, incluso si la antena está en movimiento. Esta es la mayor ventaja de estos costosos receptores. Por lo general también vienen equipados con una antena de mejor calidad. Por último, el hecho que las pérdidas o saltos de ciclos puedan corregirse directamente sobre el terreno hace que estos sistemas RTK sean confiables.

Se deben usar dos frecuencias (L1/L2) cuando la estación de referencia está lejos del sector del levantamiento (en modo RTK o PP) y bajo estas circunstancias no se recomiendan los receptores GNSS-L1 cuando se requiere una precisión centimétrica.

Sin embargo, si las ambigüedades de fase en L1 se resuelven correctamente al entero más próximo, la precisión que se obtiene de un receptor GNSS-L1 es equivalente a la de un receptor L1/L2 cuando la estación de referencia está al interior de 15-20 Km del sector del levantamiento.

¡En conclusión, podemos afirmar que se puede usar un receptor GNSS-L1 junto con el software apropiado para determinar posiciones con una precisión centimétrica!