GLONASS/GPS para todos: pruebas de precisión y disponibilidad de posicionamiento de un receptor de un solo chip en condiciones de funcionamiento difíciles

Felipe Mattos (Philip Mattos)
Traducción: Andrey Rusak
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Victoria Bulanova
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El receptor GNSS de un solo chip, que ahora se produce en masa, se probó en zonas urbanas densas para demostrar las ventajas del funcionamiento multisistema (GLONASS y GPS) como receptor de consumo. El uso del sistema combinado GLONASS / GPS comenzó con varias decenas de miles de receptores para estudios geodésicos; actualmente existen millones de dispositivos de consumo de este tipo. Gracias al crecimiento del número de dispositivos personales de navegación por satélite, la aparición de sistemas OEM para automóviles y teléfonos móviles, en 2011 se alcanzaron importantes volúmenes de mercado. La confianza en las perspectivas de desarrollo del mercado de dispositivos de navegación está empujando a los fabricantes de componentes específicos de alta frecuencia, como antenas y filtros SAW, a aumentar los volúmenes de producción y optimizar el coste de los productos. Una de las primeras empresas rusas que lanzó módulos basados ​​en el receptor STM fue NAVIA. Los módulos NAVIA GLONASS ya se han consolidado como módulos confiables y convenientes para la producción de terminales de navegación y control listos para usar para objetos en movimiento. Varias pruebas de módulos han demostrado que los ML8088 y GL 8088 cumplen con todas las especificaciones del fabricante y pueden usarse con éxito en dispositivos de monitoreo.

Se llevaron a cabo pruebas de un receptor GLONASS / GPS de un solo chip en Londres, Tokio y Texas para demostrar que el uso combinado de todos los satélites GLONASS visibles junto con el GPS proporciona la mejor disponibilidad de posicionamiento en áreas urbanas densas y, en el caso de mala disponibilidad de posicionamiento - mejor posicionamiento precisión.

Evidentemente, los receptores multisistema tienen una gran demanda en el mercado de consumo. Pueden proporcionar trabajo en un mayor número de satélites en condiciones de "cañones urbanos", donde sólo una parte del hemisferio celeste está en la zona de visibilidad y se requiere una alta confiabilidad para filtrar señales innecesarias, cuando la calidad de las señales útiles está muy degradado debido a múltiples reflexiones y atenuaciones. Además, se describen brevemente las dificultades de integrar el sistema GLONASS (y más tarde GALILEO), a partir del cual se producen dispositivos económicos para el consumidor masivo. Para un mercado de este tipo, por un lado, el coste está en primer lugar y, por otro, existen altos requisitos de rendimiento asociados con un bajo nivel de señal, un consumo de energía limitado, tiempos cortos de arranque en frío y estabilidad de posicionamiento.

El objetivo era utilizar todos los satélites disponibles para mejorar el rendimiento de los dispositivos de navegación de los consumidores en entornos interiores y urbanos. 2011 transcurrió bajo los auspicios del apoyo de GLONASS, el desarrollo de este sistema satelital está por delante de GALILEO en unos tres años. Al diseñar los receptores, era importante superar los problemas de incompatibilidad entre GLONASS y el soporte de hardware GPS. Es decir, la señal GLONASS modulada en frecuencia requería un ancho de banda más amplio que las señales PCM utilizadas por el GPS, filtros de paso de banda con diferentes centros de frecuencia y diferentes velocidades de chip. Y todo esto, sin un aumento significativo en el coste del receptor.

En condiciones ideales de funcionamiento, los satélites de constelaciones adicionales serán ineficaces, ya que disponibilidad de posicionamiento Me estoy acercando al 100 por ciento usando solo GPS. La presencia en la ionosfera utilizada para el posicionamiento de siete, ocho o nueve satélites en modo de fijación minimiza el error total y proporciona las coordenadas correctas.

En condiciones operativas extremas, el uso de solo GPS permite determinar la posición, pero el uso de solo tres, cuatro o cinco satélites concentrados en una parte estrecha del hemisferio celeste conduce a valores DOP deficientes. Aumentar el número de satélites mejora enormemente la precisión, mejorando así el DOP y promediando los errores de trayectorias múltiples. Limitar el número de satélites posicionados conduce a la imposición de errores de trayectos múltiples en la determinación de las coordenadas de los DOP amplificados. La adición de una segunda o tercera constelación implica un aumento en el número de satélites visibles y, por tanto, más satélites participan en el proceso de determinación de la posición, lo que conduce a una disminución de los errores.

Por tanto, en condiciones extremas, donde el uso del GPS por sí solo no es suficiente, el uso adicional de los satélites GLONASS (y posteriormente GALILEO) aumenta la disponibilidad de posicionamiento hasta el 100% (a excepción de los túneles subterráneos).

De hecho, la disponibilidad es un circuito de retroalimentación positiva que se mejora a sí mismo: dado que los satélites se rastrean constantemente, incluso si se les niega su participación en la solución actual del problema de posicionamiento utilizando los algoritmos RAIM /fault y FDE, no es necesario buscarlos. nuevamente: ya están disponibles para su uso anteriormente. Si el proceso de posicionamiento no se interrumpe, entonces es posible continuar prediciendo con precisión las fases de los satélites con obstáculos cerrados, lo que permite utilizarlos instantáneamente al salir de la "sombra", ya que no se requiere información adicional para buscar y fijar. a ellos.

Los satélites visibles adicionales son muy importantes para el consumidor, en particular, por ejemplo, en el caso de la "autoasistencia" ("autoservicio"), cuando el grupo mínimo está representado por cinco satélites, y no tres o cuatro, para poder establecer de forma autónoma que todos los satélites son "correctos", utilizando técnicas de Monitoreo de Integridad Autónoma del Receptor (RAIM). El "autoservicio" tiene ventajas aún más significativas con GLONASS: no se necesita infraestructura como servidores asistidos, que siempre provocan un retraso en el servicio. El método GLONASS para transmitir parámetros de órbita de satélites en formato kepleriano también es muy adecuado para el algoritmo de "autoservicio".

El valor de las pruebas.

Los intentos anteriores de caracterizar los beneficios de los dispositivos multisistema en entornos urbanos se han visto frustrados por la necesidad de utilizar receptores profesionales no diseñados para tales niveles de señal, y habría que obtener resultados separados para cada grupo, o sacrificar una de las mediciones satelitales para momento. Estas circunstancias no permitieron realizar más pruebas de los dispositivos que se planeaba ingresar al mercado masivo.

El lanzamiento de una nueva solución multisistema es de gran importancia, ya que el receptor que se está probando es un dispositivo verdaderamente masivo si tiene una mayor sensibilidad y está completamente preparado tanto para mediciones como para cálculos. Así, el autor de este artículo comunica por primera vez resultados de pruebas absolutamente fiables.

fondo

Las pruebas se llevaron a cabo en un receptor GNSS de un solo chip Teseo-II (STA-8088). Breve historia: Este es un producto STM del 2009 basado en Cartesio+ con funciones GPS/GALILEO y Procesador de Señal Digital (DSP) ya incluidas, estaba listo para implantar la función GLONASS, lo que llevó a la creación del chip Teseo-II (producto de 2010). Los resultados de las pruebas con señales de satélite reales se obtuvieron en un chip Baseband en una implementación FPGA ya a finales de 2009, y en 2010 ya utilizando un chip ya preparado.

El diseño actual requirió la introducción de modificaciones menores adicionales al circuito. Los cambios de hardware y software necesarios para el DSP han sido menores y están incluidos en la próxima actualización programada del circuito TeseoII. La implementación del circuito parcial de RF requirió mucha más atención que el circuito de dos canales con una etapa de frecuencia intermedia (IF) y un convertidor analógico a digital (ADC), con conversión de frecuencia adicional y un ancho de banda de filtro IF más amplio. Pero, dado que el área del cristal con la parte de RF ubicada en el volumen total es muy pequeña, incluso un aumento del 30% en el circuito aquí es insignificante para todo el circuito. De acuerdo con el hecho de que el diseño del chip está diseñado para un sistema común de un solo chip (RF y BB, desde la antena hasta la posición, velocidad y sincronización (PVT)), el área total del troquel para un proceso de 65 nm es muy pequeña.

Desde un punto de vista comercial, la inclusión de las tres constelaciones de satélites (GPS/GLONASS yGALILEO) en un chip es nuevo para el consumidor. Muchas de las empresas presentes en el mercado ruso optaron por un enfoque de dos sistemas, simplemente para cumplir con los requisitos del gobierno ruso sobre la necesidad de trabajar en el sistema GLONASS. No pensaron en el futuro a nivel mundial, cuando habrá varias agrupaciones de posicionamiento en el mundo, y quizás cada uno de los países que participan en este proceso proponga requisitos para el uso predominante de su propio sistema, el nativo, en el futuro.

En este sentido, la decisiónteseo— II es revolucionario, porque preparado de antemano para tal escenario y ahora puede recibir GLONASS / GPS/ GALILEO/ QZSSYSBAS.

Técnicamente, también es una novedad la inclusión en el grupo de canales independientes para recibir y procesar el sistema GLONASS, mientras que la combinación GPS/GALILEO ya es una práctica habitual. Para lograr esta flexibilidad, también se requirieron nuevas soluciones técnicas, teniendo en cuenta los diferentes retardos del hardware de RF y las diferencias en la velocidad de transmisión de la señal. A esto se suma la ya conocida corrección de la hora global universal (UTC) y el problema de la corrección del geoide.

Una transición directa a una solución de un solo chip (RF + banda base + CPU) no es común: se trata de un avance tecnológico importante. La confianza en este paso se debe a la experiencia en el uso de la parte de RF y al circuito de banda base probado del procesador. Se tomó como base la interfaz RF externa STA5630 y el GPS/GALILEO DSP modificado, que se utilizaban anteriormente en Cartesio+.

La confiabilidad del uso de STA5630/Cartesio+ se ha demostrado en la producción en masa como circuitos separados incluso antes del lanzamiento de soluciones tres en uno de un solo chip.

A diferencia de las soluciones de doble chipGPS/Módulos GLONASS presentes en el mercado ruso, una solución de un solo chip deSTMicroelectrónica (teseo— II) STA8088 FG tiene mucha mayor confiabilidad, inmunidad al ruido, menor consumo de energía y, por supuesto, dimensiones más pequeñas (módulo ml8088 stiene unas dimensiones de 13 x 15 mm).

La compatibilidad con GLONASS y GALILEO es un paso adelante con respecto a la generación anterior de hardware RF. GALILEO es compatible con GPS y, por tanto, se podría utilizar el esquema existente, mientras que GLONASS requirió modificaciones adicionales. Ver figuras 1 y 2.

Foto 1.

Figura 2.Cambiosbanda base piezas para soporte GLONASS

En la parte de RF se han combinado en un solo canal el LNA, el amplificador de RF y el primer mezclador. Esto hizo posible ahorrar en la cantidad de pines del chip y minimizar el consumo de energía. Además, permitió mantener los costos externos para los fabricantes de equipos. La señal GLONASS, reducida en el primer mezclador a 30 MHz, ingresa al canal de procesamiento secundario (que se muestra en marrón) y, mezclándose hasta 8 MHz, se alimenta a un ADC separado y luego a la parte de banda base.

La parte de banda base proporciona una etapa de preprocesamiento adicional (indicada en marrón), que convierte la señal a 8 MHz, que es necesaria para alimentar la banda base y pasa la señal recibida a través del filtro de muesca antiinterferencia, y también reduce la frecuencia de muestreo. a un valor estándar de 16, adecuado para procesamiento en hardware DSP.

Los dispositivos de captura y canales de seguimiento existentes pueden elegir dónde y cuándo recibir señales GPS/GALILEO o GLONASS, lo que hace que la distribución de canales en relación con las constelaciones de satélites sea muy flexible.

Menos visible, pero muy importante en relación con el rendimiento del sistema, es el software que monitorea estos recursos de hardware, en primer lugar para cerrar los bucles de seguimiento PLL y tomar medidas, y en segundo lugar, el filtro de Kalman, que convierte los datos medidos en datos PVT, requeridos por el usuario.

Todo ello ha sufrido una modificación estructural para dar soporte al trabajo con muchas constelaciones de satélites, y no sólo con GLONASS. En este caso, la ampliación del software para recibir futuros sistemas de navegación global será una etapa del desarrollo evolutivo y no requerirá modificaciones importantes del propio cristal.

El software ha estado funcionando en un chip real desde 2010, pero usando señales de cualquier simulador o antenas estáticas de techo, solo estaban disponibles datos de GPS, que eran tan buenos que no permitieron ninguna maniobra de investigación para mejorar el sistema. A principios de 2011, estuvieron disponibles muestras de chips de preproducción y placas de desarrollo con antenas incluidas, lo que hizo posibles las pruebas de campo móviles en todo el mundo.

Resultados actuales

Antes del nacimiento del cristal de recepción multisistema, los resultados ya eran visibles en las pruebas preliminares realizadas con receptores profesionales con mediciones separadas de GPS y GLONASS. Sin embargo, estas pruebas no dieron buenos datos para un receptor de consumo porque mostraron poca sensibilidad. Los receptores necesitaban una señal lo suficientemente clara para impulsar el PLL, pero esto no se podía hacer en un entorno urbano y, lo más importante, los receptores crearon dos soluciones separadas con un satélite adicional permanente para resolver las diferencias horarias entre sistemas. Las soluciones no relacionadas no permitieron predecir la posición de los satélites de una constelación calculando su posición en función de las coordenadas calculadas con otra, lo cual es una de las principales ventajas de los receptores GNSS multisistema.

El modelado de satélites visibles se llevó a cabo en 2010 en densas zonas urbanas de Italia, el centro de Milán. Los resultados, promediados cada minuto durante 24 horas completas, se presentan en la Tabla 1. El número promedio de satélites visibles aumentó de 4,4 con GPS solo a 7,8 con GPS+GLONASS, con los puntos No Fix establecidos en cero. Además, en el modo "sólo con GPS" se recibieron 380 puntos falsos, lo que representó aproximadamente el 26% del tiempo total de recepción.

Tabla 1.Precisión y disponibilidadGPSYGPS+ GLONASS, más de 24 horas de media

Sin embargo, la disponibilidad de satélites no es un fin en sí misma. La presencia de más satélites en la misma pequeña área del hemisferio celeste sobre las áreas urbanas puede no ser suficiente debido a la disminución geométrica de la precisión. Para estudiar estos datos, se utiliza la precisión geométrica proporcionada por HDOP. Con el uso combinado de GLONASS y GPS, el resultado fue 2,5 veces mejor.

Estudios anteriores han demostrado que en cada ciudad de prueba había entre dos y tres satélites adicionales disponibles, pero uno de ellos se utilizó para una determinación temporal. Al utilizar un receptor de alta sensibilidad combinado en un solo chip, supusimos que estarían involucrados cuatro o cinco satélites adicionales.

Los resultados reales superaron con creces nuestras expectativas. En primer lugar, había señales de muchos otros satélites, ya que todas las pruebas y simulaciones anteriores excluyeron las señales reflejadas. Con señales adicionales, el receptor mejoró significativamente el rendimiento DOP. El efecto de las reflexiones sobre la precisión se ha reducido significativamente, en primer lugar debido a una mejor geometría de posicionamiento y, en segundo lugar, debido a la capacidad de los algoritmos FDE/RAIM para mantener la estabilidad del seguimiento de los satélites. Además, ha disminuido el número de señales falsas que pueden distorsionar los datos de coordenadas.

Los resultados presentados aquí provienen de un receptor de alta sensibilidad totalmente integrado como el receptor NAVIA ML8088s basado en el chip STA8088s. Está optimizado para detectar incluso señales de muy bajo nivel y obtener resultados directamente de todos los satélites en el campo de visión, independientemente de la constelación. Esto garantiza una disponibilidad satelital del 100% y mejora enormemente la precisión en entornos urbanos desafiantes.

Disponibilidad

El uso de receptores altamente sensibles que son independientes de los bucles de bloqueo de fase (PLL) garantiza una disponibilidad total en las ciudades modernas, incluso con reflejos de vidrio en los edificios modernos. Por lo tanto, ahora se requieren otras definiciones de disponibilidad, además de "hay cuatro satélites disponibles". Por ejemplo, rastrear satélites con un nivel de calidad de señal determinado, cuyo resultado depende del DOP. Incluso el DOP puede ser difícil de estimar porque el filtro de Kalman asigna diferentes pesos a cada satélite, que no se tienen en cuenta al calcular el DOP. Y además, además de las mediciones instantáneas, este filtro utiliza la posición histórica y la velocidad actual, lo que deja inalterada la precisión del posicionamiento.

La Figura 3 muestra la disponibilidad de satélites en modo de seguimiento. Las pruebas se llevaron a cabo en el distrito financiero de Londres en mayo de 2011.

Satélites rastreados -GPS, GLONASS,GPS+GLONASS

figura 3GPS(marcado en azul) contra GLONASS (marcado en rojo) y todos los satélites rastreadosGNSS(marcado en verde).

Como se ve en la fig. 3, en total hay 7-8 satélites GLONASS y 8-9 satélites GPS, es decir, multi-GNSS, alrededor de 16 satélites. Hubo un período en el que las señales de satélite no se captaban: durante el paso del túnel del paso subterráneo de Blackfriars, la marca de tiempo es de aproximadamente 156400 segundos. En otras zonas de la ciudad, en tiempos de aproximadamente 158.500 y 161.300 segundos, la visibilidad se redujo a cuatro satélites, pero su número total nunca fue inferior a ocho. Cabe señalar que las pruebas se realizaron en el casco antiguo, donde hay principalmente edificios de piedra, por lo que las señales reflectantes son más débiles que las de los edificios de vidrio y metal.

Si bien la disponibilidad de los satélites es 100 % fuera de los túneles, puede estar limitada por el DOP o la precisión posicional. Como se puede ver en la Figura 4, en otras pruebas realizadas en Londres, el DOP multiGNSS permanece por debajo de 1, como debería ser con 10 a 16 satélites visibles, mientras que el DOP solo para GPS suele estar por encima de 4, con cualquier distorsión debida a reflexiones y señales débiles, el DOP aumenta considerablemente a 10 en el pico.

GPSen comparación conGNSS

Figura 4SoloGPScontra combinadoGPS/Indicadores de reducción de precisión GLONASS

Dado que las pruebas realizadas en mayo de 2011 no fueron lo suficientemente difíciles como para crear condiciones estresantes en las que el GPS necesitaría soporte multi-GNSS, se realizaron nuevas pruebas en agosto de 2011. Como se muestra en la fotografía aérea (Fig. 5), las pruebas se llevaron a cabo en la parte moderna de gran altura de la ciudad, Canary Wharf. Además, las carreteras de la ciudad son muy estrechas, lo que complica aún más las pruebas urbanas. Los edificios de vidrio y metal en la parte moderna de la ciudad suelen reflejar mejor que los de piedra, lo que provoca que los algoritmos RAIM y FDE se salgan de escala.

Figura 5. GPS frente a GNSS, Londres, Canary Wharf

Obtener resultados solo con GPS fue difícil (se muestra en verde), especialmente en el área cerrada de la estación Docklands, en el centro izquierda, vía inferior.

La Figura 6 muestra los mismos resultados de pruebas reales que se muestran en una hoja de ruta esquemática.

Figura 6. GPS vs. GNSS, Londres, Canary Wharf, mapa esquemático

Las pruebas multi-GNSS (azul) han mostrado muy buenos resultados, especialmente en la parte norte (en dirección este) del circuito (conducir en el Reino Unido es por la izquierda, por lo tanto, es un circuito unidireccional en el sentido de las agujas del reloj).

Figura 7. a) Pruebas en Tokio: Teseo-I (GPS) frente a Teseo-II (GNSS); b) DOP para pruebas en Tokio

Se llevaron a cabo más pruebas en las oficinas de STMicroelectronics de todo el mundo. La Figura 7a muestra las pruebas en Tokio, donde en amarillo se indican los resultados de las pruebas de la generación anterior de chips sin GLONASS, y en rojo, Teseo-II con GPS + GLONASS.

La Figura 7b ofrece algunas aclaraciones sobre la definición de precisión y muestra el DOP durante la prueba. Se puede ver que el DOP del Teseo-II rara vez estuvo por encima de 2, pero los puntajes de solo GPS (Teseo-I) estuvieron entre 6 y 12 en la difícil zona norte rodeada por un círculo.

Repetimos que el algoritmo de prueba para GPS es simple, pero la precisión de la determinación es difícil.

Se realizaron pruebas adicionales en Tokio en calles más estrechas de la ciudad bajo las mismas condiciones de prueba, como se muestra en la Figura 9. Azul claro solo para GPS, rojo para GPS+GLONASS, hay una mejora significativa en los resultados.

La Figura 9 utiliza el mismo esquema de color para mostrar los resultados de las pruebas en Dallas, esta vez con el receptor GPS de un competidor frente a un Teseo-II con una configuración GPS+GLONASS, obteniendo nuevamente muy buenos resultados.

Figura 8. SóloGPS(cian) vs multi-GNSS(rojo), Tokio.

Figura 9. SóloGPS(azul, receptor del competidor) vs.GNSS(rojo), Dallas.

Otras constelaciones de satélites

Aunque el hardwareteseo— IIsoportes yGALILEOmientras no haya satélites disponiblesGALILEO(a septiembre de 2011), por lo que los dispositivos basados ​​en este chip que se utilizan en todo el mundo aún no tienen software cargado para dar servicio a esta constelación de satélites. Sin embargo, si llega el momento de aplicar GALILEO, siempre existe la oportunidad de realizar una actualización de software.

El sistema japonés QZSS tiene un satélite disponible que transmite señales tradicionales compatibles con GPS, señales SBAS y señales L1C BOC. Teseo-II puede manejar los dos primeros con las características del software actualmente cargado, y aunque SBAS es inútil en entornos urbanos porque los reflejos y las interferencias de la señal son locales y no se captan, el objetivo del sistema QZSS es proporcionar un satélite. con un ángulo muy alto a este satélite siempre ha estado disponible en las zonas urbanas.

La Figura 10 muestra una prueba en Taipei, Taiwán, usando GPS (amarillo) versus multi-GNSS (GPS más un satélite QZSS (rojo)) y valores verdaderos (púrpura).

Figura 10. SóloGPS(amarillo) en comparación con multi-GNSS (GPS+ QZSS (1 satélite, rojo)), valor verdadero -morado, taipei
Más trabajo

Se continuarán realizando pruebas para obtener resultados cuantitativos más precisos. Las pruebas se llevarán a cabo en el Reino Unido, donde existen mapas de carreteras con datos vectoriales que muestran direcciones de viaje reales. Está prevista una modificación de hardware para admitir el sistema Compass y GPS-III (L1-C), además del GALILEO existente. La búsqueda y el seguimiento de estas señales ya se han demostrado utilizando muestras de escenarios en vivo pregrabadas en simuladores de señales GNSS.

En 2011 el sistema Compass no estaba disponible. En este sentido, el trabajo en la versión de silicio de Teseo-II se centró principalmente en la máxima flexibilidad en condiciones de diferentes longitudes de código, por ejemplo, BOC o BPSK, lo que hizo posible, en presencia de uno u otro software descargado, para configurar Funciones de hardware DSP, obtienen la posibilidad de compatibilidad de diferentes constelaciones de satélites.

El trabajo de compatibilidad en la versión actual del CHIP multi-GNSS ha sido pobre: ​​debido al hecho de que la frecuencia central del sistema Compass de 1561 MHz solo se puede mantener usando un oscilador controlado por voltaje y PLL, el sistema Compass no puede funcionar simultáneamente con otros satélites. constelaciones. Además, la velocidad del código Compass es de 2 Mbps, que tampoco es compatible con Teseo-II y puede normalizarse mediante el uso de circuitos alternativos externos, lo que significa una grave pérdida de señal.

Por lo tanto, el trabajo de soporte de Compass es relevante sólo para la investigación y el desarrollo de software, para una solución de sistema único o para el uso de un chip de RF independiente.

La señal Compass distribuida globalmente, que está en formato de señal GPS/GALILEO en la frecuencia portadora y en la longitud y velocidad del código, será totalmente compatible dentro de un único diseño multi-GNSS, pero probablemente no hasta 2020.

Las pruebas en condiciones urbanas se repetirán a medida que el grupo se desarrolleGALILEO. Si tiene 32 canales, puede usar la división 11/11/10 (GPS/ GALILEO/GLONASS), en presencia de la composición completa de los tres grupos, pero dentro del marco de los requisitos modernos para los servicios de navegación, la combinación 14/8/10 es más que suficiente.

Conclusión

Un receptor multisistema puede incluir GPS, GLONASS y GALILEO a un costo mínimo. Con 32 canales de seguimiento y hasta 22 satélites visibles, incluso en los entornos urbanos más hostiles, se puede garantizar una disponibilidad del 100 % y una precisión de posicionamiento aceptable. Durante las pruebas, normalmente se ven entre 10 y 16 satélites. La multiplicidad de mediciones hace que los algoritmos RAIM y FDE sean mucho más efectivos para eliminar señales mal reflejadas y también minimiza los efectos geométricos de la distorsión de la señal restante.

Recientemente, con el desarrollo del GLONASS ruso, las necesidades del mercado de navegación en receptores multisistema no hacen más que crecer. Varias empresas nacionales utilizan chips de un solo chip. STM para el desarrollo de sus propios módulos GLONASS y dispositivos de carcasa terminada. En concreto, en 2011 NAVIA lanzó al mercado 2 sistemas combinados GLONASS/ GPS/ galileomódulo, cuyas pruebas arrojaron muy buenos resultados.

Disponibilidad instantánea o integral(Inglés) Disponibilidad: representa el % del tiempo que se cumple la condición PDOP<=6 при углах места КА >= 5 grados. Un ejemplo simple: en los viejos tiempos, antes de 2010, la disponibilidad de GLONASS en algunas áreas del mundo no superaba el 70-80%, ¡y ahora es del 100% en todas partes!)

Pérdida de precisión o Reducción de precisión geométrica(Inglés) Dilución de precisión, DOP, Inglés Dilución geométrica de precisión, GDOP)

RAIM(Inglés) Monitoreo de integridad autónomo del receptor- Monitoreo autónomo de la integridad del receptor (ARIC), una tecnología diseñada para evaluar y mantener la integridad de un sistema GPS, un receptor GPS. Esto es especialmente importante en los casos en los que el correcto funcionamiento de los sistemas GPS es necesario para garantizar un nivel adecuado de seguridad, como en la aviación o la navegación marítima.

Las tecnologías modernas de navegación por satélite proporcionan un posicionamiento con una precisión de entre 10 y 15 metros. En la mayoría de los casos, esto es suficiente, sin embargo, en algunos casos se requiere más: digamos, un dron autónomo que se mueva lo suficientemente rápido sobre la superficie terrestre se sentirá incómodo en una nube de coordenadas con errores de medición.

Para perfeccionar los datos satelitales se utilizan sistemas diferenciales y tecnologías RTK (cinemática en tiempo real), pero hasta hace poco estos dispositivos eran caros y voluminosos. Los últimos avances en tecnología digital en forma de microcomputadora Intel Edison han ayudado a resolver este problema. Le presentamos: Reach: el primer receptor GPS compacto de alta precisión, muy asequible y, además, desarrollado en Rusia.

Primero, hablemos un poco de las tecnologías diferenciales que permiten a Reach conseguir resultados tan altos. Son bien conocidos y están bastante implementados. Los sistemas de navegación diferencial (DNSS) mejoran la precisión de la ubicación y la velocidad de los usuarios móviles al proporcionar datos de medición o información de corrección desde una o más estaciones base.

Las coordenadas de cada estación base se conocen con gran precisión, de modo que los datos de medición de la estación sirven para calibrar los datos de los receptores cercanos. El receptor puede calcular la distancia teórica y el tiempo de propagación de la señal entre él y cada satélite. Cuando estos valores teóricos se comparan con las observaciones, las diferencias representan errores en las señales recibidas. La información correctiva (datos RTCM) se deriva de estas diferencias.

Precisión de posición usando Reach. Presta atención a la escala.

El dispositivo Reach puede obtener información de corrección de dos fuentes. En primer lugar, desde una red pública de estaciones base a través de Internet utilizando el protocolo NTRIP (Transporte en red de RTCM a través del Protocolo de Internet), que implementa la idea descrita anteriormente en relación con una red informática global. En segundo lugar, con la ayuda del segundo Reach, que ocupa una posición fija cerca del primero y, por tanto, es una estación base en términos de DNSS. Es preferible la segunda opción (la precisión del DNSS disminuye drásticamente a medida que aumenta la distancia entre el receptor y la BS); no es casualidad que, como parte de la campaña de financiación colectiva en el sitio web de Indiegogo, los creadores de Reach ofrezcan comprar exactamente un conjunto de dos dispositivos en la primera posición.

Las especificaciones del dispositivo se muestran en la siguiente tabla. Como puede ver, el hardware consta de 3 partes: una computadora Intel Edison que ejecuta Linux y el software RTK RTKLIB; Receptor GPS U-blox NEO-M8T y antena Tallysman TW4721. Tenga en cuenta que el receptor es compatible con todos los sistemas satelitales existentes: GPS, GLONASS, Beidou y QZSS. Toda esta combinación de componentes de software y hardware proporciona una precisión impresionante para determinar las coordenadas: ¡hasta 2 cm!
¿Quién puede utilizar un dispositivo de este tipo? Como se mencionó anteriormente, los creadores de diversas robóticas móviles, autónomas y no tan; Además, dado su bajo coste (pedido por adelantado $545 por un juego doble y $285 por un solo juego), no sólo para profesionales, sino también para entusiastas. Además, a los compiladores de diversos tipos de mapas, nuevamente, incluidos los aficionados. Bueno, sólo aburridos que quieren saber su ubicación al centímetro más cercano.

Los creadores de Reach, la empresa Emlid, obtuvieron buenos resultados en el sitio web de indiegogo: en menos de un mes se recaudó casi el doble de la cantidad solicitada. Por lo tanto, el proyecto seguramente se implementará. Todavía estás a tiempo de realizar un pedido por adelantado y ser uno de los primeros en recibir un nuevo dispositivo de navegación. El envío está previsto para julio.

El usuario de un navegador GPS siempre está interesado en la precisión real de la navegación GPS y el grado de confianza en sus indicaciones. ¿Qué tan cerca puede llegar de un peligro para la navegación confiando únicamente en un receptor GPS? Desafortunadamente, no existe una respuesta única a esta pregunta. Esto se debe a la naturaleza estadística de los errores de navegación GPS. Considerémoslos con más detalle.

La velocidad de propagación de las ondas de radio está influenciada por la ionosfera y la troposfera, la refracción ionosférica y troposférica. Esta es la principal fuente de errores, después de deshabilitar SA. La velocidad de las ondas de radio en el vacío es constante, pero cambia cuando la señal ingresa a la atmósfera. Para señales de diferentes satélites, el retardo de tiempo es diferente. Los retrasos en la propagación de las ondas de radio dependen del estado de la atmósfera y de la altura del satélite sobre el horizonte. Cuanto más bajo, mayor es el recorrido de su señal a través de la atmósfera y mayor es la distorsión. La mayoría de los receptores excluyen el uso de señales de satélites con una elevación inferior a 7,5 grados sobre el horizonte.

Además, las perturbaciones atmosféricas dependen de la hora del día. Después de la puesta del sol, la densidad de la ionosfera y su efecto sobre las señales de radio disminuye, un fenómeno bien conocido por los operadores de radio de onda corta. Los receptores GPS militares y civiles pueden determinar de forma autónoma el retraso de la señal atmosférica comparando retrasos en diferentes frecuencias. Los receptores de consumo de frecuencia única realizan una corrección aproximada basándose en el pronóstico transmitido como parte del mensaje de navegación. La calidad de esta información ha mejorado recientemente, mejorando aún más la precisión de la navegación GPS.

Modo SA.

Para mantener la ventaja de la alta precisión de los navegadores GPS militares, desde marzo de 1990 se introdujo el modo de restricción de acceso SA (Disponibilidad selectiva), que reduce artificialmente la precisión de un navegador GPS civil. Cuando el modo SA está habilitado en tiempos de paz, se agrega un error de varias decenas de metros. En casos especiales se pueden introducir errores de cientos de metros. El gobierno de EE. UU. es responsable de la salud del sistema GPS ante millones de usuarios, y se puede esperar que la reactivación de SA, y más aún, una disminución tan significativa en la precisión, no se introduzca sin razones suficientemente serias.

La precisión aproximada se logra mediante un cambio caótico en el tiempo de transmisión del código pseudoaleatorio. Los errores que surgen de SA son aleatorios e igualmente probables en cada dirección. SA también afecta la precisión del rumbo y la velocidad según el navegador GPS. Por esta razón, un receptor estacionario a menudo muestra velocidades y rumbo ligeramente variables. De esta forma se puede estimar el grado de impacto de SA mediante cambios periódicos de rumbo y velocidad según el GPS.

Errores en datos de efemérides para navegación GPS.

En primer lugar, se trata de errores asociados con la desviación del satélite de la órbita calculada, imprecisiones del reloj y retrasos en la señal en los circuitos electrónicos. Estos datos se corrigen periódicamente desde la Tierra y los errores se acumulan entre sesiones de comunicación. Debido a la pequeñez de este grupo de errores, no tiene importancia para los usuarios civiles.

Extremadamente raro, pero pueden ocurrir errores mayores debido a fallas repentinas de datos en los dispositivos de memoria del satélite. Si dicha falla no se detecta mediante el autodiagnóstico, hasta que el servicio terrestre detecte el error y se transmita el comando de falla, el satélite puede transmitir información incorrecta durante algún tiempo. Existe la llamada discontinuidad o, como suele traducirse el término integridad, integridad de la navegación.

Influencia de la señal reflejada en la precisión de la navegación GPS.

Además de la señal directa del satélite, el receptor GPS también puede recibir señales reflejadas de rocas, edificios y barcos que pasan: la llamada caracterización de la propagación por trayectos múltiples (multipath). Si la señal directa del receptor está bloqueada por superestructuras o aparejos del barco, la señal reflejada puede ser más fuerte. Esta señal recorre una distancia mayor y el receptor "piensa" que está más lejos del satélite de lo que realmente está. Como regla general, estos errores son mucho menores que 100 metros, ya que sólo los objetos cercanos pueden producir un eco suficientemente fuerte.

Geometría satelital en la navegación GPS.

Depende de la ubicación del receptor en relación con los satélites que determinan la posición. Si el receptor ha captado cuatro satélites y todos están en el norte, la geometría del satélite es mala. El resultado es un error de hasta 50-100 metros o incluso la imposibilidad de determinar las coordenadas.

Las cuatro mediciones provienen de la misma dirección y el área de intersección de las líneas de posición es demasiado grande. Pero si hay 4 satélites espaciados uniformemente a los lados del horizonte, la precisión aumentará considerablemente. La geometría del satélite se mide mediante el factor geométrico PDOP (Position Dilution Of Precision). La posición ideal de los satélites corresponde a PDOP = 1. Los valores grandes indican una geometría del satélite deficiente.

Los valores de PDOP inferiores a 6,0 se consideran adecuados para la navegación. La navegación 2D utiliza HDOP (dilución horizontal de precisión) inferior a 4,0. También se utilizan un factor de geometría vertical VDOP inferior a 4,5 y un TDOP temporal inferior a 2,0. PDOP sirve como multiplicador para tener en cuenta errores de otras fuentes. Cada pseudorango medido por el receptor tiene su propio error, dependiendo de la interferencia atmosférica, errores de efemérides, modo SA, señal reflejada, etc.

Entonces, si los valores estimados de los retrasos totales de la señal por estas razones, URE - Error de rango de usuario o UERE - Error de rango equivalente de usuario, en ruso EDP - error de rango equivalente, total 20 metros y HDOP = 1,5, entonces la determinación esperada Los lugares de error serán iguales a 20 x 1,5 = 30 metros. Los receptores de navegador GPS presentan información de manera diferente para estimar la precisión de PDOP.

Además de PDOP o HDOP, se utiliza GQ (Calidad Geométrica), lo opuesto a HDOP, o una evaluación cualitativa en puntos. Muchos receptores modernos muestran EPE (Error de posición estimado - error de posición esperado) directamente en unidades de distancia. EPE tiene en cuenta la ubicación de los satélites y la predicción del error de señal para cada satélite dependiendo de SA, el estado de la atmósfera, los errores de reloj de los satélites transmitidos como parte de la información de efemérides.

La geometría del satélite también se convierte en un problema cuando se utiliza el receptor GPS dentro de vehículos, en bosques densos, montañas o cerca de edificios altos. Cuando se bloquean las señales de satélites individuales, la posición de los satélites restantes determinará qué tan precisa será la posición GPS y su número indicará si se puede determinar la posición. Un buen receptor GPS mostrará no sólo qué satélites se están utilizando, sino también su ubicación, rumbo y elevación, para que pueda determinar si un satélite determinado es difícil de recibir.

Basado en los materiales del libro "Todo sobre navegadores GPS".
Naiman V.S., Samoilov A.E., Ilyin N.R., Sheinis A.I.

Los sistemas de navegación y posicionamiento por satélite, desarrollados originalmente para necesidades militares, recientemente han encontrado una amplia aplicación en el ámbito civil. La monitorización de vehículos GPS/GLONASS, la vigilancia de personas que necesitan atención, el control de movimientos de los empleados, el seguimiento de animales, el seguimiento de equipaje, la geodesia y la cartografía son los principales usos de la tecnología satelital.

Actualmente, existen dos sistemas globales de posicionamiento por satélite creados en los EE.UU. y la Federación de Rusia, y dos sistemas regionales que cubren China, los países de la UE y varios otros países de Europa y Asia. El monitoreo GLONASS y el monitoreo GPS están disponibles en Rusia.

Sistemas GPS y GLONASS

GPS (Global Position System, Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema satelital cuyo desarrollo se inició en América en 1977. En 1993 se implementó el programa y en julio de 1995 el sistema estaba completamente listo. Actualmente, la red espacial GPS consta de 32 satélites: 24 principales y 6 de reserva. Giran alrededor de la Tierra en una órbita media-alta (20.180 km) en seis planos, con cuatro satélites principales en cada uno.

En tierra hay una estación de control principal y diez estaciones de seguimiento, tres de las cuales transmiten datos de corrección a satélites de última generación, que los distribuyen a toda la red.

El desarrollo del sistema GLONASS (Sistema Global de Navegación por Satélite) comenzó en la URSS en 1982. La finalización se anunció en diciembre de 2015. GLONASS requiere 24 satélites para funcionar, 18 satélites son suficientes para cubrir el territorio y la Federación de Rusia, y el número total de satélites actualmente en órbita (incluidos los de reserva) es 27. También se mueven en una órbita media-alta, pero a una menor altitud (19.140 km), en tres planos, con ocho satélites principales en cada uno.

Las estaciones terrestres de GLONASS están ubicadas en Rusia (14), la Antártida y Brasil (una cada uno), y está previsto desplegar varias estaciones adicionales.

El precursor del sistema GPS fue el sistema Transit, desarrollado en 1964 para controlar el lanzamiento de misiles desde submarinos. Podía localizar objetos excepcionalmente estacionarios con una precisión de 50 m, y el único satélite estaba en el campo de visión sólo una hora al día. El programa GPS se conocía anteriormente como DNSS y NAVSTAR. En la URSS, la creación de un sistema de navegación por satélite se lleva a cabo desde 1967 como parte del programa Cyclone.

Las principales diferencias entre los sistemas de monitoreo GLONASS y GPS:

• Los satélites estadounidenses se mueven de forma sincrónica con la Tierra, mientras que los satélites rusos se mueven de forma asíncrona;
• diferente altura y número de órbitas;
• diferente ángulo de inclinación (aproximadamente 55° para GPS, 64,8° para GLONASS);
• diferentes formatos de señal y frecuencias de funcionamiento.

Beneficios de un sistema GPS

• El GPS es el sistema de posicionamiento más antiguo que existe y se puso en pleno funcionamiento antes que el ruso.
• La confiabilidad se debe al uso de una mayor cantidad de satélites de respaldo.
• El posicionamiento se produce con un error menor que el de GLONASS (un promedio de 4 my para los satélites de última generación, de 60 a 90 cm).
• Muchos dispositivos son compatibles con el sistema.

Ventajas del sistema GLONASS

• La posición de los satélites asíncronos en órbita es más estable, lo que facilita su control. No se requieren ajustes regulares. Esta ventaja es importante para los profesionales, no para los consumidores.
• El sistema fue creado en Rusia, por lo que proporciona una recepción de señal confiable y precisión de posicionamiento en latitudes del norte. Esto se consigue gracias al mayor ángulo de inclinación de las órbitas de los satélites.
• GLONASS es un sistema nacional y seguirá estando disponible para los rusos si se desactiva el GPS.

Desventajas de un sistema GPS

• Los satélites giran en sincronía con la rotación de la Tierra, por lo que se requieren estaciones correctoras para un posicionamiento preciso.
• El ángulo de inclinación bajo no proporciona una buena señal ni un posicionamiento preciso en las regiones polares y latitudes altas.
• Los militares tienen derecho a controlar el sistema y pueden distorsionar la señal o incluso desactivar el GPS para civiles o para otros países en caso de conflicto con ellos. Por tanto, aunque el GPS es más preciso y más cómodo para el transporte, GLONASS es más fiable.

Desventajas del sistema GLONASS

• El desarrollo del sistema comenzó más tarde y hasta hace poco se llevó a cabo con un retraso significativo con respecto a los estadounidenses (crisis, abuso financiero, malversación de fondos).
• Conjunto incompleto de satélites. La vida útil de los satélites rusos es más corta que la de los satélites estadounidenses, es más probable que necesiten reparaciones, por lo que se reduce la precisión de la navegación en varias áreas.
• El seguimiento del transporte por satélite GLONASS es más caro que el GPS debido al elevado coste de los dispositivos adaptados para funcionar con el sistema de posicionamiento doméstico.
• Falta de software para teléfonos inteligentes, PDA. Los módulos GLONASS fueron diseñados para navegantes. Para dispositivos portátiles compactos, hoy en día la opción más común y asequible es admitir GPS-GLONASS o solo GPS.

Resumen

Los sistemas GPS y GLONASS son complementarios. La solución óptima es el monitoreo satelital GPS-GLONASS. Los dispositivos con dos sistemas, por ejemplo, los marcadores GPS con el módulo M-Plata GLONASS, proporcionan una alta precisión de posicionamiento y un funcionamiento confiable. Si para el posicionamiento exclusivamente mediante GLONASS el error es de 6 m en promedio y para el GPS de 4 m, cuando se utilizan dos sistemas al mismo tiempo se reduce a 1,5 m, pero estos dispositivos con dos microchips son más caros.

GLONASS fue desarrollado específicamente para las latitudes rusas y es potencialmente capaz de proporcionar una alta precisión; debido a su escasez de satélites, la verdadera ventaja sigue estando del lado del GPS. Las ventajas del sistema americano son la disponibilidad y una amplia selección de dispositivos con soporte GPS.

Objetivo

GPS (Sistema de posicionamiento global - sistema de posicionamiento global) le permite determinar con precisión las coordenadas tridimensionales de un objeto equipado con un receptor GPS: latitud, longitud, altitud, así como su velocidad, dirección de movimiento y hora actual.

Cuento

El sistema GPS fue desarrollado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos. El trabajo en este proyecto, llamado NAVSTAR (NAVigation System with Ttiming and Ranging - sistema de navegación para determinar el tiempo y el alcance), comenzó en los años 70. El primer satélite del sistema se puso en órbita en 1974, y el último de los 24 no tuvo que cubrir toda la Tierra hasta 1993. Inicialmente, el GPS estaba destinado al uso militar de los EE. UU. (navegación, guiado de misiles, etc.), pero desde 1983, cuando fue derribado un avión de Korean Airlines que invadió accidentalmente el territorio de la URSS, el uso del GPS también estaba permitido para civiles. Al mismo tiempo, la precisión de la señal transmitida se ajustó mediante un algoritmo especial, pero en el año 2000 se eliminó esta restricción. El Departamento de Defensa de EE. UU. continúa manteniendo y actualizando el sistema GPS. Fue esta completa dependencia del rendimiento del sistema del gobierno de un país (por ejemplo, durante la Primera Guerra del Golfo, el sector civil del GPS estaba desactivado) lo que impulsó a otros países a desarrollar sistemas de navegación alternativos (ruso - GLONASS, europeo - GALILEO , chino - Beidou).

Principios para determinar coordenadas.

El principio de determinar las coordenadas de un objeto en el sistema GPS se basa en calcular la distancia desde él a varios satélites, cuyas coordenadas exactas se conocen. La información sobre la distancia de al menos 3 satélites le permite determinar las coordenadas del objeto como el punto de intersección de las esferas, cuyo centro son los satélites y el radio es la distancia medida.

De hecho, hay dos puntos de intersección de las esferas, pero uno de ellos puede descartarse porque o está en lo profundo de la Tierra o muy por encima de su superficie. La distancia a cada uno de los satélites se define como el tiempo de viaje de la señal de radio desde el satélite hasta el receptor multiplicado por la velocidad de la luz. Surge el problema de determinar con precisión el tiempo de tránsito de la señal de radio. Se soluciona generando y transmitiendo desde el satélite una señal modulada mediante una secuencia especial. Se genera exactamente la misma señal en el receptor GPS, y el análisis del retraso de la señal recibida respecto a la interna permite determinar el tiempo de su paso.

Para determinar con precisión el tiempo de transmisión de la señal, los relojes del receptor GPS y del satélite deben estar lo más sincronizados posible; una desviación de incluso unos pocos microsegundos provoca un error de medición de decenas de kilómetros. Para ello, el satélite dispone de relojes atómicos de alta precisión. Es imposible configurar un reloj similar en el receptor GPS (se utilizan relojes de cuarzo habituales), por lo que se utilizan señales adicionales de al menos otro satélite para sincronizar la hora. Se supone que si la hora en el receptor GPS está sincronizada exactamente, entonces un círculo con un radio igual a la distancia del cuarto satélite cruzará el mismo punto que los círculos de los otros tres satélites. El receptor GPS ajusta su reloj hasta que se cumpla esta condición. Por lo tanto, para determinar con precisión la posición de un objeto en el espacio tridimensional (3D), se requieren señales de al menos 4 satélites (de 3 satélites sin determinar la altura sobre la superficie de la Tierra - 2D). En la práctica, con buena visibilidad del cielo, los receptores GPS reciben señales de muchos satélites a la vez (hasta 10-12), lo que les permite sincronizar relojes y determinar coordenadas con una precisión bastante alta.

Junto con la secuencia mediante la cual se determina el tiempo de propagación de la señal, cada satélite transmite información binaria: un almanaque y efemérides. El almanaque contiene información sobre el estado actual y la órbita estimada de todos los satélites (al recibir información de un satélite, es posible limitar los sectores de búsqueda de señales de otros satélites). Efemérides: información actualizada sobre la órbita de un satélite en particular que transmite una señal (la órbita real del satélite puede diferir de la calculada). Son datos precisos sobre la posición actual de los satélites los que permiten al receptor GPS calcular su propia posición con respecto a ellos.

Precisión del GPS

La precisión típica para determinar las coordenadas de los receptores GPS en el plano horizontal es de aproximadamente 1 a 2 metros (suponiendo que el cielo tenga buena visibilidad). La precisión para determinar la altura sobre el nivel del mar suele ser de 2 a 5 veces menor que la precisión para determinar las coordenadas en las mismas condiciones (es decir, en condiciones ideales de 2 a 10 metros).

El nivel de recepción de señales de los satélites y, como resultado, la precisión en la determinación de las coordenadas, se deteriora bajo el denso follaje de los árboles o debido a nubes muy densas. Además, la recepción normal de señales GPS puede verse afectada por interferencias de muchas fuentes de radio terrestres. Sin embargo, el principal factor que influye en la disminución de la precisión del GPS es la visibilidad incompleta del cielo. Esto es especialmente evidente cuando el receptor GPS está ubicado en áreas urbanas densas, cuando una parte importante del cielo está oculta por edificios, marquesinas y otros obstáculos cercanos. En este caso, la precisión para determinar las coordenadas puede caer a 20-30 metros y, a veces, más. Los obstáculos no transmiten señales de una parte de los satélites potencialmente disponibles en un punto determinado de la Tierra. Esto lleva a que los cálculos se realicen con un número menor de señales de satélites ubicados principalmente en un sector del cielo. En este caso, el desplazamiento suele producirse en un plano perpendicular al obstáculo.

En general, si hablamos de la precisión del GPS en condiciones urbanas, basándonos en los datos estadísticos acumulados y en nuestra propia experiencia, podemos sacar las siguientes conclusiones. La precisión para determinar las coordenadas cuando el vehículo se encuentra en un área abierta (estacionamientos, plazas, etc.) y cuando se conduce por carreteras principales y carreteras de varios carriles será de 1 a 2 metros. Al conducir por calles estrechas, especialmente cuando hay casas muy juntas, la precisión será de 4 a 10 metros. Cuando el coche está en "pozos de jardín", muy cerca de edificios de gran altura, etc. La precisión puede descender a 20-30 metros.

Por supuesto, la precisión a la hora de determinar las coordenadas depende en gran medida de la calidad del propio receptor GPS, así como de las antenas utilizadas y de su correcta ubicación en el vehículo.