Red ERVA - Generalitat Valenciana

5ª ASAMBLEA HISPANO-PORTUGUESA DE GEODESIA Y GEOFÍSICA
SEVILLA 2006-ISBN: 84-8320-373-1
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Red ERVA: Arquitectura y Servicios de la Red de Estaciones de Referencia
GPS/GNSS de Valencia.
ERVA Network: Architecture and Services of the GPS/GNSS Reference Station Network
of Valencia.
Capilla Romà, R.M. (1, Blat Puchades, E.(1, Sáa González J.M.(1, Bretos Blanch, J.J.(1
(1)
Instituto Cartográfico Valenciano, Avda. Tarongers s/n 46022, Valencia, Spain;
SUMMARY
Technological development, in the field of Global Navigation Satellite Systems (GNSS/GPS), in professional works of
Geodesy, Geophysics, Cartography, and Civil Engineering, has meant an increase in the demand for developed services
and adaptive infrastructures to current technology, both provided by different governments. Such a challenge has caused
the different regional governments to set up their own geodetic networks in form of active networks of reference stations.
In the case of the Valencian Community, a Regional Network of Reference Stations has recently been set up (called ERVA,
which stands for Estaciones de Referencia de VAlencia). The network is developed and executed by the Cartographic
Institute of Valencia (ICV), and fully equipped with GPS/GNSS stations with the most advanced hardware and software.
GPS/GNSS stations provide real-time and post-processing data by means of Internet and mobile communication networks.
ERVA Network, in order to manage Real Time GPS, uses current mobile communication technologies (GPRS, 3G, UMTS),
among other means. The possibilities of the network imply providing the Valencian Region with a service of real time RTK
by means of RTK Network Solution. This contribution shows the architecture of the network, the state of the art solutions
for the data transport, and the present services with all the evaluation tests for real-time GNSS data stream.
1.
INTRODUCCIÓN.
El desarrollo tecnológico, extendido en el campo de los
sistemas de Posicionamiento por Satélite GNSS/GPS a los ámbitos
de Geodesia, Topografía, Cartografía, Fotogrametría e Ingeniería
Civil, provoca que la comunidad de usuarios aumente la demanda
de servicios más eficientes e infraestructuras adaptadas a la
tecnología actual desarrolladas por las administraciones. Ante este
reto, las diferentes administraciones avanzan con la implantación y
ampliación de sus redes geodésicas en forma de redes geodésicas
activas de estaciones permanentes GPS/GNSS. En el caso de la
Comunidad Valenciana, se ha implantado muy recientemente la
Red de Estaciones de Referencia de Valencia denominada Red
ERVA. El proyecto, impulsado y ejecutado por el Instituto
Cartográfico Valenciano (ICV), está formado por estaciones que
ocupan emplazamientos, dotados del equipamiento en hardware y
software más avanzado.
Las estaciones GPS están configuradas para servir datos en
tiempo real y en post-proceso a través de Internet y de las
tecnologías de comunicación móvil desarrolladas. Las
posibilidades de la red, también implican dotar a la Comunidad
Valenciana de un servicio de correcciones modeladas de red en
tiempo real, para posicionamiento RTK en todo el territorio.
En esta contribución se presenta la arquitectura de la red, las
soluciones para el transporte de datos, y los servicios actuales junto
con los tests de evaluación y validación para la emisión en tiempo
real de datos GNSS.
Con el proyecto de implantación de la red se persiguen
diversos objetivos:
-Densificar y optimizar el marco geodésico de referencia ETRS89
en la Comunidad Valenciana.
-Aumentar la infraestructura geodésica autonómica de Valencia,
constituida ya por una red de más de 1500 de estaciones pasivas,
que se enlazaron a la red REGENTE del IGN, durante los años
2002-2004.
-Optimizar los recursos y herramientas del ICV necesarios para la
productividad propia en geodesia, cartografía y para investigación.
-Convertir a la Generalitat Valenciana en suministrador de datos
GNSS para post-proceso y tiempo real.
2.
IMPLANTACIÓN DE LA RED.
En fecha de Enero de 2006, el proyecto se encuentra en su fase
final, de manera que la red cubre actualmente el 75% del territorio
y difunde ya datos en tiempo real y post-proceso de las estaciones
implantadas. Está en proceso la fase de densificación para intentar
alcanzar el 100% de cobertura en toda la comunidad y la emisión
de correcciones modeladas de red RTK.
Estación Red
ERVA 2005
Estación prevista
2006
Figura1 – Distribución de estaciones de referencia, Diciembre 2005
(Reference station network distribution, December 2005).
No obstante, es necesario resumir lo que supuso la fase del
anteproyecto y posteriores.
En primer lugar, la calidad en la recepción de la señal fue
verificada por técnicos del ICV, durante la fase del anteproyecto en
cada una de las posibles ubicaciones con el fin de detectar algún
tipo de interferencias externas.
Del mismo modo, se han estudiado otras variables a la hora de
elegir localizaciones. Se ha prestado especial atención a zonas
donde se realizan algún otro tipo de observaciones geodésicas o
donde se prevé que se efectúen, por la sinergia entre las tecnologías
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espaciales GPS y múltiples aplicaciones. Otros factores
importantes han sido la dotación de los sistemas de alimentación de
suministro eléctrico, con el fin de elegir edificios equipados con
grupos de alimentación electrógenos aprovechables o las
características del sistema de comunicaciones por Internet con el
exterior, (ancho de banda, disponibilidad de direcciones IP,
limitación en firewalls etc..) para la adquisición de datos desde el
centro de control (ICV).
En cuanto a las características de los equipos instalados en la
primera fase del proyecto, se cuenta con el siguiente equipamiento:
-En torno al 50% de las estaciones están dotadas de antenas Choke
Ring con elemento Dorne Margolin.
-Nueva monumentación de elementos de hormigón o
monumentación sobre mástiles o semitorretas.
-Garantía de permanencia.
-Fuente de alimentación: El sistema de alimentación configurado,
consta por si solo, de un protocolo de alertas que se transmiten vía
e-mail o GSM al Centro de Control en el caso de fallo y
conmutación a la fuente de alimentación secundaria.
-Sistema de almacenamiento de datos crudos redundante in situ.
El acceso elegido debe resultar suficiente para las aplicaciones
de posicionamiento en tiempo real que necesiten estar
continuamente recibiendo datos desde una localización remota
determinada y ser un método más optimizado y económico que un
acceso por medio de RDSI o Internet vía satélite.
Por tanto, para algunas de las nuevas estaciones se han
instalado puntos de red dedicados con control total sobre el router
de acceso, en el caso en que no existiera red corporativa en el lugar
de instalación. En el caso en que si que existiera red corporativa
utilizable, dentro de la conexión remota, existen diferentes
opciones de configuración, de las cuales se ha seleccionado un
enlace por VPN. La esencia del enlace mediante VPN (Virtual
Private Networks) reside en que se crea diversos túneles dedicados
que extienden la red corporativa a diferentes ubicaciones para
conectar el centro de control (ICV) con las estaciones permanentes
GPS.
En estos túneles, el tráfico privado desde las estaciones GNSS
viaja protegido a través de una red corporativa o privada virtual,
que crea lo que denominamos como un túnel entre dos puntos a
conectar o una conexión punto-multipunto utilizando la
infraestructura pública. Estos últimos son apropiados para las
situaciones donde los dos puntos de conexión de la VPN (estación
GPS – centro de control) no están controlados por la red
corporativa de la misma institución, o cuando existen en medio
diferentes cortafuegos o firewalls no pertenecientes al centro de
control que monitoriza las estaciones GPS, y que suponen
limitaciones a la hora de tener acceso por determinados puertos y
con diversos protocolos.
VPN
Figura 2 – Estaciones ERVA (ERVA Stations).
En cuanto a la compensación en ETRS89 se ha buscado una
buena precisión relativa entre las estaciones implantadas y las que
se van añadiendo progresivamente. Al mismo tiempo se realizan
compensaciones periódicas de la red obteniendo soluciones
constreñidas a estaciones ya existentes en la Comunidad
Valenciana y fuera de ella, pertenecientes a otras instituciones
(IGN, ICC), que se encuentran dentro de la red de estaciones
EUREF e IGS.
Simultáneamente, con la instalación de nuevas estaciones, se
han efectuado campañas de reobservación de la red geodésica
autonómica de cuarto orden en un radio de 20 - 30 km en torno a
cada estación nueva, con el fin de incorporar las observaciones al
ajuste en bloque tridimensional de la red geodésica en ETRS89, y
optimizar los resultados de la infraestructura geodésica
autonómica.
3.
TRANSPORTE DE DATOS DE LA RED GNSS.
Dentro de la complejidad del proyecto, un aspecto importante
en la implantación es la adopción de una solución adecuada de
acceso remoto a las estaciones permanentes GPS. La solución se
basa en un enlace seguro de datos con bajo retardo, aunque dada la
velocidad a la que se desarrollan las comunicaciones hoy en día,
existe un amplio abanico de posibilidades. La elección se ha
realizado en función de las necesidades de disponer de un enlace
seguro y fiable, rápido y con bajos valores de latencia para
posterior uso en tiempo real, que garantice integridad y a un coste
asequible tanto en su implantación como en su posterior
mantenimiento. Todo ello ideado para permitir su monitorización
continua, la publicación de datos RINEX en tiempo quasi-real y
para su empleo en las aplicaciones DGPS/RTK.
2
Figura 3 – Túneles VPN para tranporte de datos. (VPN tunnels for data
transport).
Además, es una solución adecuada para facilitar el enlace
remoto con las estaciones permanentes porque no supone ningún
retardo posterior en la latencia de correcciones diferenciales GPS.
Muestra de ello ha sido la comprobación efectuada mediante el
enlace a diferentes estaciones, con VPN y sin ella, con diferentes
protocolos (UDP – TCP ) para el transporte de datos y utilizando
una estación GPS temporal instalada en el mismo centro de control
(ICV) que se ha tomado como referencia de latencia nula.
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seguridad, realizar cualquier operación remota de mantenimiento y
monitorización del funcionamiento.
Figura 4- Latencia en el flujo de datos en tiempo real. (Delay in real
time data stream from control center server)
Router y
punto de Red
dedicado
ESTACIÓN 1
GPS
Las funciones para proveer correcciones GNSS en tiempo real,
las realiza un segundo servidor instalado en el ICV configurado
como caster, soportando actualmente la solicitud de datos en el
estándar RTCM, (versiones 2.3- 3), de múltiples llamadas
simultáneas que utilizan el protocolo NTRIP (Networked Transport
of RTCM via Internet Protocol). Los usuarios de la red ERVA en
tiempo real utilizan, entre otras, las tecnologías de comunicación
móvil existentes actualmente (GPRS).
Firewall del
Centro de
Control
(ICV)
GPS
ESTACIÓN 2
Firewall de
Red Externa
GPS
Servidor con cliente
VPN y Software de
Monitorización de la
Red GPS
Concentrador VPN
de Red Externa
Intranet’s de otras Redes
Corporativas
Internet
ESTACION 3
GPS
Estación permanente
con cliente VPN
Concentrador VPN del
Centro de Control (ICV)
GPS
Router y punto de Red dedicado
Figura 5- Arquitectura de la red y transporte de datos. (Network
architecture and data transport).
Figura 7– Caster de la Red ERVA (ERVA Network Caster)
4.
ARQUITECTURA
DE
SERVIDORES
DE
MONITORIZACIÓN Y PROVEEDORES DE DATOS
EN TIEMPO REAL Y POST-PROCESO.
El sistema de monitorización de las estaciones de ERVA está
constituido por un sistema de gestión remota instalado y
configurado en el Instituto Cartográfico Valenciano. A través de
diferentes softwares, se gestiona las estaciones de referencia GPS,
así como todo el hardware complementario (sistemas de
alimentación etc..). El sistema de control consta de un segundo
servidor redundante que reemplazaría al anterior en caso de fallo
del servidor principal. El servicio público para trabajo en postproceso lo proporciona el servidor corporativo de datos RINEX
montado sobre http, que se visualiza en un entorno totalmente
amigable. En general, el acceso a todos los datos se realiza para el
usuario final sobre http, admitiendo también el acceso por ftp
mediante autenticación.
En este último, se proporcionan correcciones de código y fase
RTK a clientes autenticados mediante usuario y password de
grupo.
Asimismo, se ha evaluado la transmisión en tiempo real de
correcciones calculadas a partir de un modelo generado a partir de
todas las estaciones permanentes. Se trata de la difusión del
servicio de correcciones modeladas de red RTK (tipo VRS), en el
cual el modelo de correcciones estima errores sistemáticos
inherentes a la señal GPS, debidos a la troposfera, la ionosfera y las
efemérides radiodifundidas. A diferencia con el posicionamiento
RTK convencional, se envía una serie de parámetros correctores
fruto del modelado de la red o de un subconjunto de la red hasta el
receptor móvil. Para ello el procesador de red RTK se vale, entre
otra información, de la solución orbital ultrarrápida del IGS
(International GPS/GNSS Service), descargada de manera
automatizada por Internet.
El modelo de correcciones de red evaluado en la red ERVA,
está generado a partir de 6 estaciones en los tests realizados, y se
ha trabajado con distancias medias entre estaciones que oscilan
entre los 70-100 km, para examinar la respuesta de la solución
modelada de red RTK en posicionamiento en tiempo real en
cualquier punto de la Comunidad.
Tabla 1 – Servicios de datos GNSS, 2005 (Broadcasted GNSS
Data, 2005)
Rinex PostProceso
Diario30seg, Horario 5
seg, Horario 1 seg.
Correcciones DGPS
RTCM 2.1,2.3, 3.0
Correcciones RTK
RTCM 2.1, 2.3, 3.0
Correcciones de Red RTK- RTCM 2.1, 2.3, 3.0
VRS
Figura 6– Arquitectura de servidores ( Server architecture)
La operatividad e integridad del servidor de monitorización
queda garantizada por ser accesible para los administradores de la
red a través de conexiones tipo VPN externas con la intranet del
ICV, que permite con la autenticación que marcan las directivas de
Los resultados en tiempo real RTK están proporcionando ya un
posicionamiento preciso en el acto del orden de 2 –5 centímetros.
Se desglosa un resumen de precisiones y tiempos de inicialización
como muestra en las tablas incluidas a continuación. Los análisis
de la precisión obtenida en tiempo real proceden de mediciones
sobre la Red Geodésica de Cuarto Orden calculada en ETRS89:
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Figura 8– Errores obtenidos en las componentes E,N, h con DGPS,
RTK estación individual y RTK de RED. ( Effects of errors on
Northing, Easting and Elevation with DGPS, RTK and VRS)
Solución DGPS (m)
Dif N
Dif E
Figura10– Segundos de inicialización RTK –VRS ( Initialization times
RTK –VRS in seconds)
600
500
400
300
200
100
0
Inicialización
RTK/NTRIP
Inicialización
VRS/NTRIP
No inicializa
en RTK
0
-0,1
0
0,1
0,2
10
20
30
40
50
60
Distancia en Km a estación permanente
-
Solución RTK (m)
5. PERSPECTIVAS FUTURAS DE LA RED.
Dif N
Dif E
cm
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
Solución RTK de Red-VRS (m)
Dif N
Dif E
-0,05
0
Dada la demanda existente en la Comunidad Valenciana de
este tipo de infraestructura, aunque la red testeada cubre las tres
cuartas partes de la Comunidad, está previsto ampliarla con al
menos 2 -3 estaciones a lo largo del año 2006, según el diseño
inicial, para dar cobertura al resto del territorio y proporcionar
mayor redundancia a la solución. Asimismo, está planteada la
interoperabilidad con otras redes de estaciones existentes, así como
la difusión de los datos de manera amigable a la par que asequible
para los distintos usuarios.
En cuanto a las aplicaciones de los servicios en tiempo real, si
bien el posicionamiento por RTK proporciona a los usuarios las
precisiones suficientes, utilizando el servicio de correcciones
modeladas de red se obtendrán precisiones optimizadas en
cualquier punto de la Comunidad Valenciana, independientemente
de la distancia a la estación permanente, ampliando el rango de
distancias posibles hasta 40-50 km y con tiempos de inicialización
realmente óptimos. El usuario final podrá además disponer de un
servicio de posicionamiento en el que el volumen de datos
transferidos desde el servidor caster para tiempo real se reduce
considerablemente.
0,05
6. AGRADECIMIENTOS
El desarrollo e implantación del proyecto ha sido posible
gracias a la autorización y soporte de diversos organismos de la
Comunidad Valenciana en la elección y autorización de las
ubicaciones a lo largo del año 2005 y las estaciones previstas.
Nuestro especial agradecimiento a la Diputación y consorcios de
Castellón, Ayuntamiento de Denia, Ayuntamiento de Ayora,
Consellería de Infraestructuras y Transportes, Consellería de
Sanidad y EPSAR. Por último, mencionar a José Gaspar y Xavier
Calaf por la labor desempeñada en la monitorización diaria de la
red recién implantada.
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
7. REFERENCIAS
20
30
40
Distancia KM a Estación GPS
50
Error RTK
Error VRS
Figura 9 -Evolución error 3D RTK –VRS (metros)
( 3D Error evolution RTK –VRS (meters))
4
Cruz R. (2004): “Redes de Comunicación de banda ancha”, Ed. Cap. 5.
Dettmering D, Weber G (2004): “The Euref Ntrip broadcaster real-time GNSS data
for Europe”, Federal Agency for Cartography and Geodesy , BKG, Frankfurt,
IGS 2004 Workshop, Bern, March 1-5.
González Matesanz J, Quirós R, Cano M., Dalda A. (2004): “Posicionamiento GPS en
tiempo real a través de Internet. EUREF-IP.” Topcart 2004, Octubre Madrid.
González Matesanz J, Weber G, Celada J, Quirós R, Dalda A. (2004): “El proyecto
EUREF-IP. Resultados con GPRS”, 4ª Asamblea Hispano-Portuguesa de
Geodesia y Geofísica, Figueira da Foz , Portugal , pags: 503-504.
Landau, H, Vollath U, Chen X. (2002): “Virtual Reference Station Systems”, Journal
of Global Positioning Systems. Vol. 1, nº 2: 137-143
Millner, J, Hale M., Standen P, Talbot N. (2004) :”The development and enhacement
of GNSS/GPS infraestructure to support Location Based Service Positioning
Systems in Victoria”,International Symposium on GNSS/GPS, Sydney Australia.
Pérez Iglesias S (2001): “Análisis del protocolo IPSEC: el estándar de seguridad en
IP”, Comunicaciones de telefónica I+D. Num 23, Noviembre 2001, Pags 51-64.
Retscher, G (2002): “ Accuracy Performance of Virtual Reference Station Networks”,
Journal of Global Positioning Systems. Vol. 1, nº 1: 40-47.