Mejora de un sistema de cálculo de orientación en tiempo real basado en GPS no dedicados

Abstract

Este trabajo de fin de grado surge de la continua necesidad, cada vez más presente, del ser humano de conocer o determinar a tiempo real el posicionamiento de objetos móviles o estacionarios. Su desarrollo se centra en realizar un vector de línea base en función a 3 estaciones, como mejora a dos proyectos de fin de grado anteriores que estudiaban el diseño con respecto a sólo dos de ellas. Como objetivo, se quiere realizar el diseño de un prototipo de Sistema de Navegación de alta precisión y bajo coste, basado exclusivamente en tecnología GPS, además de desarrollar un sistema de cálculo del rumbo en tiempo real basado en la Aproximación Directa procedentes de “OEM-GPS” no dedicados. Para ello, se toman como punto de partida las técnicas apoyadas en satélites, ya que son las que aportan mayor número de ventajas y facilidades en esta materia. Como apuesta principal en el desarrollo de este proyecto se escoge una línea de trabajo o investigación basada en el diseño de vectores de línea base en función de un número de estaciones, entre otros motivos por su alta aceptación debido a sus buenos resultados. Con ello, en el procesamiento de los datos de posicionamiento se utilizan datos obtenidos por posicionamiento relativo, que requieren de observaciones múltiples y simultáneas a satélites GPS comunes a las estaciones desde las que se mide. Así, el Sistema de Navegación proporcionará información en tiempo real de la posición (longitud, latitud y altura), y la orientación 3D (Roll, Pitch y Yaw), del objeto móvil o vehículo en el que se encuentre instalado respecto de un sistema de referencia fijo, a una frecuencia de 1 Hz o superior y con una precisión de 0.5 grados. Como se verá en el desarrollo del trabajo, gracias al modelo matemático realizado, se obtienen ecuaciones basadas en las medidas de la fase de la portadora hechas por los receptores GPS, en los vectores de posición de las antenas de GPS en el sistema de coordenadas de la base, en las distancias geométricas desde las antenas de GPS a los satélites, en las diferencias dobles de la ambigüedad y en las matrices de transformación de coordenadas, que nos permiten diseñar un sistema que nos confirma que a la hora de obtener la verdadera colección de ambigüedades comparando la norma de nuestros vectores de la línea base con la de unos vectores prueba, se obtiene un resultado más robusto y aproximado que cuando se realizó el proyecto con sólamente 2 receptores. En contraposición, se ha determinado que la frecuencia límite a la que se pueden recibir datos con el receptor GPS de fase de la portadora es 1 Hz. Por ello, no seremos capaces de dar resultados en tiempo real a una frecuencia inferior a 1 Hz a no ser que planteemos cambiar de receptores. Como vías de discusión, uno de los puntos futuros por revisar sería tratar de eliminar el uso de parámetros tales como la latitud y la longitud en el cálculo del rumbo, y con ello solventar las posibles fuentes de error. Por otro lado, se podría utilizar un filtro de Kalman, que además de contar con una robusta técnica para calcular la propagación de los estados y varianzas a lo largo del tiempo, y de proveer una estimación óptima de los ángulos de giro, permiten la integración en el sistema de una diversa variedad de sensores de navegación. Por último, puede resultar interesante probar el algoritmo completo para el cálculo de la orientación, que consiste en obtener la orientación completa mediante los ángulos yaw, pitch y roll, de modo que una vez consigamos resultados razonables, podamos comenzar a realizar pruebas dinámicas, comparando los resultados respecto a un Sistema de navegación inercial (IMU), que son los más precisos actualmente, junto con la línea de posicionamiento Puntual Preciso (PPP). Abstract: This final Degree Project arises from the continuous requirement, more and more present, of the human being to know or determine in real time the positioning of mobile or stationary objects. Its development focuses on making a baseline vector based on 3 stations, trying improve results of two previous final degree projects that studied the design with respect only two of them. The objective is to design a high-precision and low-cost navigation system prototype based exclusively on GPS technology, in addition to developing a real-time heading calculation system based on the direct approach from .OEM-GPS"not dedicated. Initially, satellite-based techniques are taken as a starting point because they provide the greatest number of advantages and facilities in this area. Once the specific case has been analyzed, in the development of the project, a bet is made on the line of work or research based on the design of baseline vectors based on a number of stations, among other reasons because nowadays they are having a high acceptance due to its positive results. In the processing of the positioning, data obtained by relative positioning are used, which require multiple and simultaneous observations to GPS satellites common to the stations from which it is measured. In this way, the Navigation System will provide information in real time of the position (length, latitude and height), and 3D orientation (Roll, Pitch and Yaw), of the mobile object or vehicle in which it is installed with respect to a system of fixed reference, at a frequency of 1 Hz or greater and with an accuracy of 0.5 degrees. As will be seen in the development of the work, thanks to the mathematical model performed, which describes how we relate the measurements of the carrier phase made by GPS receivers, the position vectors of GPS antennas in the GPS system. coordinates of the base, the geometric distances from the GPS antennas to the satellites, the double differences of the ambiguity and the matrices of transformation of coordinates, we confirm that at the time of obtaining the true collection of ambiguities comparing the norm of our vectors of the baseline with that of some test vectors, a more robust and approximate result is obtained than when the project was carried out with only 2 receivers. In contrast, it has been determined that the limit frequency at which data can be received with the GPS receiver of phase of the carrier is 1 Hz. So, we will not be able to give results in real time at a minimum frequency of 1 Hz without changing receptors. As ways of discussion, one of the future points to review would be to try to eliminate the use of parameters such as latitude and longitude in the calculation of the course, and solve the possible sources of error. On the other hand, a Kalman filter could be used, which besides having a robust technique to calculate the propagation of the states and variances over time, and to provide an optimal estimation of the angles of rotation, allows the integration in the system of a diverse variety of navigation sensors. Finally, it can be interesting to try the complete algorithm for the calculation of the orientation, which consists of obtaining the complete orientation through the angles yaw, pitch and roll, so that once we get reasonable results, we can start to perform dynamic tests, comparing the results regarding an inertial navigation system (IMU), which are currently the most accurate, together with the Punctual Precise positioning line (PPP).