Los receptores GNSS de bajo costo han ganado popularidad en todo el mundo dentro de la comunidad científica y técnica GNSS, y claro, México no es la excepción. Actualmente, diferentes empresas han lanzado al mercado de la navegación satelital sus módulos GNSS, como Septentrio, U-blox, Reyax y Unicore. Sin embargo, los módulos de U-blox son los más conocidos y evaluados por la comunidad científica a nivel mundial, y su fácil adquisición los hace una alternativa confiable para diferentes proyectos. Estos módulos GNSS U-blox los puedes comprar incluso en Mercado Libre y Amazon por un precio menor a 7,000 pesos mexicanos, pero recomiendo comprarlos en DigiKey, y te llegan hasta la puerta de tu hogar en menos de una semana. AHORA, hablemos del receptor GNSS de bajo costo más conocido en México y el mundo.
El día 26 de abril de 2018, la empresa mundial proveedora de tecnologías líderes en posicionamiento y comunicación inalámbrica: U-blox, anuncia el lanzamiento del módulo GNSS multifrecuencia ZED-F9P con tecnología de posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK, por sus siglas en inglés) para el control de maquinaria agrícola, vehículos robóticos terrestres y aplicaciones en vehículos aéreos no tripulados (UAV, por sus siglas en inglés. Mejor conocidos como drones). El módulo ZED-F9P tiene un tamaño de tan solo 22x17x2.4 mm, tal como se ilustra en la Figura 1, y utiliza tecnología de la plataforma U-blox F9 para alcanzar un rendimiento robusto de posicionamiento de alta precisión en segundos. La plataforma u-blox F9 fue lanzada a inicio de 2018 y utiliza señales GNSS en múltiples bandas de frecuencia (L1/L2/L5) para corregir errores ionosféricos y alcanzar un tiempo rápido para la primera solución. Además, la combinación de señales GNSS de múltiples bandas de frecuencia permite que el receptor disponga de precisión centimétrica incluso en entornos desafiantes como en las ciudades.
El receptor ZED-F9P es el primer receptor multifrecuencia de bajo costo en el mundo y es compatible con las constelaciones GPS (Estados Unidos), GLONASS (Rusia), Galileo (Unión Europea), BeiDou (China), QZSS (Japón), IRNSS NavIC (India), y estoy seguro de que si estuviera disponible el Sistema de Posicionamiento de Corea (KPS, por sus siglas en inglés), también fuera compatible (Se estima que KPS esté disponible hasta el 2035). Además, soporta los sistemas de aumentación GNSS como SBAS (WAAS, EGNOS, L1 Sb y GAGAN). También, soporta una variedad de servicios de corrección, como correcciones RTCM estándar y correcciones de tipo SSR en formato SPARTN, estas últimas son necesarias para realizar PPP-RTK. Y aún más emocionante, este receptor tiene la capacidad de registrar observaciones GNSS de hasta 25 Hz, lo que lo hace una opción atractiva para aplicaciones dinámicas, por ejemplo, en el monitoreo de estructuras y vuelos de Drones. Sin embargo, el módulo ZED-F9P está compuesto por diferentes variantes o series, y del número de serie dependerán las características de adquisición de señales GNSS. El ZED-F9P tiene las siguientes variantes: 01B, 02B, 04B y 15B.
La variante ZED-F9P-01B puede recibir y rastrear simultáneamente las constelaciones GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou, más los satélites QZSS. Todos los satélites visibles se pueden procesar en soluciones RTK cuando se utilizan datos de corrección. Más detalladamente, se pueden seguir las señales L1 C/A y L2C de GPS, L1OF y L2OF de GLONASS, E1 y E5b de Galileo, y B1I y B2I de BeiDou. El sistema QZSS comparte las mismas señales L1 y L2 que el GPS y siempre se pueden procesar juntos. Además, soporta correcciones RTCM 3.3.
La variante ZED-F9P-02B puede recibir y rastrear simultáneamente las constelaciones GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou, más los satélites QZSS y SBAS. Todos los satélites visibles se pueden procesar en soluciones RTK cuando se utilizan datos de corrección. Más detalladamente, se pueden seguir las señales L1 C/A y L2C de GPS, L1OF y L2OF de GLONASS, E1 y E5b de Galileo, y B1I y B2I de BeiDou. El sistema QZSS comparte las mismas señales L1 y L2 que el GPS y siempre se pueden procesar juntos. Además, soporta correcciones RTCM 3.3. También, soporta SBAS (WAAS en Estados unidos, EGNOS en Europa, L1 Sb en Japón y GAGAN en la India).
La variante ZED-F9P-04B puede recibir y rastrear simultáneamente las constelaciones GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou, más los satélites QZSS y SBAS. Todos los satélites visibles se pueden procesar en soluciones RTK cuando se utilizan datos de corrección. Más detalladamente, se pueden seguir las señales L1 C/A y L2C de GPS, L1OF y L2OF de GLONASS, E1 y E5b de Galileo, y B1I y B2I de BeiDou. El sistema QZSS comparte las mismas señales L1 y L2 que el GPS y siempre se pueden procesar juntos. Además, soporta correcciones RTCM 3.3 y SPARTN 2.0.1. También, soporta SBAS (WAAS en Estados unidos, EGNOS en Europa, L1 Sb en Japón y GAGAN en la India).
La variante ZED-F9P-15B puede recibir y rastrear simultáneamente las constelaciones GPS, GLONASS, Galileo, NavIC y BeiDou, más los satélites QZSS y SBAS. Todos los satélites visibles se pueden procesar en soluciones RTK cuando se utilizan datos de corrección. Más detalladamente, se pueden seguir las señales L1 C/A y L5 de GPS, L1OF de GLONASS, E1 y E5a de Galileo, y B1I y B2a de BeiDou, y SPS-L5 de IRNSS NavIC. El sistema QZSS comparte las mismas señales L1 y L5 que el GPS y siempre se pueden procesar juntos. Además, soporta correcciones RTCM 3.3 y SPARTN 2.0.1. También, soporta SBAS (WAAS en Estados unidos, EGNOS en Europa, L1 Sb en Japón y GAGAN en la India).
Pueden notar que la diferencia entre estas variantes es principalmente en el seguimiento de señales y el soporte a correcciones RTCM y SSR. Entonces, para elegir la variante de nuestro interés, dependerá de la aplicación para la cual la vamos a utilizar. Si quieres realizar RTK, puedes adquirir cualquier de las 4 variantes. Para estudios de mediciones estáticas y realizar postprocesamiento, puedes adquirir cualquiera de los 4. Si tu objetivo es llevar a cabo PPP-RTK debes adquirir la variante 04B o 15B. Sin embargo, con base en mi experiencia te recomiendo ampliamente la variante ZED-F9P-04B y te explicaré cuales son los motivos para mi recomendación. En primer lugar, hay que recordar que los satélites GPS fueron lanzados en bloques, y cada bloque tiene características diferente. Actualmente, hay 31 satélites GPS disponibles: 7 del bloque IIR que transmiten señales L1 y L2, 7 del bloque IIR-M que transmiten señales L1 y L2, 11 del bloque IIF que transmiten señales L1, L2 y L5, y finalmente 6 del bloque III que transmiten señales en las frecuencias L1, L2 y L5. El módulo ZED-F9P no es compatible con la señal L2 (P(Y)) del bloque IIR (las variantes 01B, 02B y 04B. La variante 15B, desconozco) y solamente hay 17 satélites que transmiten L5, por lo cual, tendremos 17 satélites con observaciones duales para la variante 15B y 24 satélites con observaciones duales para la variante 04B, es decir, un número mayor (7 satélites más) de observaciones duales que permiten un posicionamiento con mayor precisión. Además, otro factor importante a resaltar es la constelación BeiDou, la cual está conformada por tres diferentes tipos de órbita, a decir, MEO (órbita terrestre media), GEO (órbita geoestacionaria) y IGSO (órbita geosincrónica inclinada). La construcción y desarrollo de BeiDou se divide en tres fases: BDS-1 (descontinuada), BDS-2 y BDS-3. La fase BDS-2 está conformada por 3 satélites MEO, 5 satélites GEO y 7 satélites IGSO, donde todos los satélites transmiten las señales B1I, B2I y B3I. Para el caso de la fase BDS-3 (moderna) está conformada por 24 satélites MEO, 2 satélites GEO y 3 satélites IGSO, donde todos los satélites transmiten las señales B1I, B3I, B1C, B2a, B2b. En total, están disponibles 44 satélites BeiDou. Por otro lado, hay que recordar que debido a nuestra posición geográfica únicamente recibimos señales de los satélites de órbita MEO, es decir, de 27 satélites. Sin embargo, para las variantes del ZED-F9P 01B, 02B y 04B únicamente tienen disponibles 3 satélites BeiDou de doble frecuencia pertenecientes a la fase BDS-2, y 18 de frecuencia única perteneciente a la fase BDS-3, debido a que los satélites BDS-3 no transmiten la señal B2I. Curiosamente, estas variantes del ZED-F9P no son compatibles con los satélites lanzados después del año 2019 (aunque transmitan la B1I). Una posible ventaja de la variante 15B sobre el resto, es la compatibilidad de todos los satélites BeiDou de la fase BDS-3. Cuando adquiera el módulo ZED-F9P-15B y haga pruebas de compatibilidad, les notificaré que tal. Por ahora, únicamente he llevado a cabo pruebas con el ZED-F9P-04B. En la Figura 2 se ilustra el número de satélites GNSS disponibles al noroeste de México para mediciones mayores a 24 horas por el receptor de bajo costo ZED-F9P-04B conectado a la antena ANN-MB-00 de bajo costo.
Las barras color azul que señalan los satélites GPS (PRN: 02, 13, 16, 19, 20, 21, 22) corresponden al bloque IIR, y para el caso del satélite G28 correspondiente al bloque III, y aunque este satélite y el G11 transmiten la señal L2, al parecer la variante 04B no es compatible con los satélites GPS lanzados después del 2021 (Posiblemente se requiere actualización de Firmware). Para el caso de GLONASS, son compatibles todos los satélites, aunque debido al bajo rendimiento del ZED-F9P, es difícil seguir algunos satélites GLONASS. Sin duda, Galileo es la constelación que más aporta al posicionamiento después del GPS (Aunque esto aún lo tengo en duda, pero lo dejaré para otro artículo), y esto se observa al momento de la adquisición de las observables. Se ilustra en las barras color rojo que fue posible seguir a todos los satélites Galileo disponibles. Las tres barras color amarillo que muestran doble banda corresponden a los satélites BeiDou de la órbita MEO del BDS-2 y el resto, las barras que ilustran mediciones de una frecuencia corresponden a los satélites MEO de la fase BDS-3.
El receptor GNSS de bajo costo ZED-F9P puede registrar mediciones GNSS en modo RTK de hasta 20 Hz, es decir, 20 mediciones por segundo en tiempo real, haciendo a este módulo GNSS una herramienta potencial para monitorear cualquier fenómeno natural que se mueva y esté en espacios abiertos. Por otro lado, en diferentes investigaciones internacionales presumen que con este receptor es posible alcanzar posicionamiento con una precisión milimétrica con una antena de bajo costo sin parámetros de calibración, cosa que para mí aun me da de que pensar, pero eso lo dejaremos para después. Hasta aquí, hemos hablado de todo lo que se puede alcanzar con este receptor, cosas positivas e interesantes. SIN EMBARGO, si comparamos uno de los receptores más avanzados tecnológicamente de la empresa Septentrio, el polaRx5 que tiene un precio actual de poco más de 10 mil dólares junto a la antena PolaNt Choke Ring, con el receptor ZED-F9P conectado a una antena ANN-MB de bajo costo, donde su precio está en 285.32 dólares en la plataforma DigiKey, creo que encontraremos muchas cosas. Entonces, es difícil o yo diría imposible que se alcancen las mismas precisiones con estos dos equipos GNSS de diferente rango económico (Esta aclaración le he leído más de 50 veces en diferentes artículos de alto impacto). Podría decir, que el ZED-F9P puede acercarse a la precisión del PolaRx5 siempre y cuando se llevé a cabo una medición correcta para la adquisición de datos y por supuesto, una estrategia fina para el procesamiento de estos.
Ahora, hablaremos de las limitaciones del ZED-F9P. El rendimiento de este dispositivo está comprometido debido a algunas funciones como, el procesamiento de señales digitales (DSP, por sus siglas en inglés), el preamplificador, y el amplificador de bajo ruido (LNA, por sus siglas en inglés) (Li et al., 2023). El bajo rendimiento de estas funciones ocasiona que el receptor tenga pérdidas en las observables, principalmente en el seguimiento de la segunda banda (L2, E5b, B2I, G2). También, presenta un nivel de ruido más alto y una relación portadora-densidad de ruido más baja en comparación con los equipos de grado geodésico, cuando se utiliza también una antena de bajo costo. Las antenas de bajo costo juegan un papel importante en el posicionamiento GNSS y su bajo rendimiento las hace susceptible a errores sistemáticos graves, como el multipath o multitrayecto. Sin embargo, el tema de las antenas de bajo costo, lo dejaremos para otro artículo.
Entonces, las mediciones adquiridas con receptores GNSS de bajo costo conectados a antenas de bajo costo suelen presentar un nivel de ruido más alto que los geodésicos. Por lo cual, las características de las observables entre un receptor de grado geodésico y de bajo costo son diferentes, y es aquí donde ocurre la mayoría de los errores, incluso por la comunidad científica, cuando se trata del procesamiento de los datos. Los modelos estocásticos tradicionales están diseñados para el procesamiento de datos adquiridos por receptores de grado geodésico y no por los de bajo costo, haciendo uso inadecuado de este modelo y es necesario determinar nuevas proporciones de pesos para algunas variables. Por ejemplo, los principales modelos estocásticos son el modelo posterior, el modelo de relación señal-ruido (SNR, por sus siglas en inglés), y el modelo dependiente de la elevación. El modelo posterior se enfoca en obtener el peso de observación entre diferentes constelaciones (Li et al., 2011). El modelo estocástico SNR se enfoca en la calidad de las señales de observación en condiciones de multipath (Brunner y Hartinger, 1999). Y el modelo dependiente de la elevación considera la calidad de los datos de observación con la variación de la elevación de los satélites, es decir, cuanto mayor sea la elevación, mejor será la calidad de los datos de observación. Dato curioso: RTKLib y GAMIT utilizan el modelo estocástico sinusoidal 😊. Por lo cual, no es algo extraño que en las publicaciones serias y éticas encontremos: “Generalmente, el modelo estocástico SNR se utiliza en receptores de bajo costo o en escenarios donde hay un nivel de ruido alto de multipath y cuando algunas señales de observación estén bloqueadas”. En resumen, la relación señal-ruido (SNR) está directamente asociada con la ruta de propagación de la señal, es decir, es una mejor opción para establecer la matriz de varianza y ajustar el procesamiento para un caso que representa la realidad de medición (Li et al., 2023). También, recomiendo ampliamente utilizar una máscara SNR mayor a 20 dBHz para mejorar la solución, y claro, buscar un software de procesamiento que te permita hacer esto.
Otra desventaja del ZED-F9P es el reloj que trae incorporado. Los que llevaron la clase de GNSS o GPS correctamente sabrán que, el posicionamiento y la navegación basados en GPS/GNSS tienen diferentes escalas de tiempo, una para el receptor y otra para los satélites GNSS que orbitan la tierra, y estas se deben sincronizar. Ahora, imaginémonos las ecuaciones de observación para el código y la fase, la tienen?, el segundo parámetros después de la distancia geométrica , la velocidad de la luz que multiplica la diferencia entre el sesgo del reloj del receptor y del satélite, pues los sesgos del reloj del satélite se pueden mitigar utilizando productos precisos de órbita o reloj publicados por el IGS. Para el caso del sesgo del reloj del receptor, este se estima en cada época debido a la baja estabilidad de frecuencia a largo plazo del oscilador de cuarzo interno en los receptores, por lo cual, aplicamos mínimos cuadrados para encontrar 4 incógnitas, tres corresponden a las coordenadas (X,Y,Z) y una al sesgo del reloj. Debido a lo anterior, necesitamos de un mínimo de cuatro satélites para obtener una solución precisa. Además, se ha encontrado en algunos estudios que ocurren constantemente saltos en el reloj de los receptores de u-blox en las observables GNSS porque el reloj del receptor es un oscilador de cristal con compensación de temperatura (TXCO, por sus siglas en inglés) y necesita reiniciarse para sincronizarse con la hora estándar del sistema (Zhao, 2020).
El receptor ZED-F9P dispone de 184 canales de seguimiento, y cada canal tiene la capacidad de rastrear los códigos que contiene una señal por cada satélite, es decir, si el receptor debe rastrear los códigos (también llamados canales) L1C, L1 C/A, L2C, L5I y L5Q, entonces se necesitará asignar 5 canales para cada satélite GPS. Y suponiendo que en promedio están disponibles 11 satélites GPS y todos transmiten las mismas señales, entonces necesitaríamos 55 canales para seguir todos los satélites disponibles y 2-3 más para buscar más satélites que estén entrando en nuestra zona de visibilidad. Ahora, en promedio están disponibles más de 34 satélites GNSS en el noroeste de México, y estableciendo que GPS transmite 5 códigos (L1C, L1C/A, L2P, L2C, L5), GLONASS transmite 5 códigos (L1C/A, L1P, L2C/A, L2P, L3), Galileo transmite 5 códigos (E1, E5a, E5b, E5ab,E56), y BeiDou transmite 6 códigos (B1, B1C, B2, B2A, B2B, B3), entonces, para poder seguir todas las señales disponibles al noroeste de México (Sinaloa) necesitaríamos un receptor con más de 217 canales para poder rastrear los 11 satélites de GPS, los 8 satélites de GLONASS, los 10 satélites Galileo y los 12 satélites BeiDou. Así que, posiblemente esta sea otra limitante del ZED-F9P (o posible ventaja, ya que entre mayor sea el número de canales que tenga un receptor, mayor será el consumo de energía). Aunque el receptor no tiene la capacidad de seguir todas las señales disponibles, considero que los 184 canales son suficientes para llevar a cabo trabajos que requieran alta precisión, pues no todo el tiempo tendremos más de 34 satélites disponibles para el ZED-F9P, sino algunos 24 aproximadamente.
En resumen, el receptor ZED-F9P cumple con los requisitos básicos para llevar a cabo mediciones GNSS, y es importante recordar que soporta temperaturas máximas y mínimas de 84° y -40°, respectivamente, así que lo pueden utilizar sin problemas en Culiacán. Además, su bajo costo y tamaño reducido lo convierte en una tecnología de mercado masivo y permite explorar un sinfín de oportunidades para las empresas y los universitarios que tengan ganas de aprender y emprender. Sin embargo, las FAKE NEWS están presentes y debemos tener cuidado de nuestras fuentes informativas sobre esta tecnología GNSS de bajo costo, ya que he leído/escuchado casos extraordinarios sobre alcanzar ambigüedad fija en menos de 1 minuto dentro de una casa habitación, y hasta el sondeo de agujeros negros primordiales y acumulación de materia oscura en el sistema solar con redes GNSS, aunque yo creería más en el sondeo de los agujeros negros primordiales con redes GNSS, y si tienen dudas, los invito a leer https://arxiv.org/abs/2403.14397.
Referencias visitadas:
Brunner, F. K., Hartinger, H., & Troyer, L. (1999). GPS signal diffraction modelling: the stochastic SIGMA-Δ model. journal of Geodesy, 73, 259-267.
Cuadrat-Grzybowski, M., Clesse, S., Defraigne, P., Van Camp, M., & Bertrand, B. (2024). Probing Primordial Black Holes and Dark Matter Clumps in the Solar System with Gravimeter and GNSS Networks. arXiv preprint arXiv:2403.14397.
Jain, A., & Schön, S. (2021). Performance evaluation of GNSS receiver clock modelling in urban navigation using geodetic and high-sensitivity receivers. The Journal of Navigation, 74(6), 1397-1415.
Li, B., Shen, Y., & Lou, L. (2010). Efficient estimation of variance and covariance components: a case study for GPS stochastic model evaluation. IEEE transactions on geoscience and remote sensing, 49(1), 203-210.
Li, X., Gou, H., Li, X., Shen, Z., Lyu, H., Zhou, Y., … & Zhang, Q. (2023). Performance analysis of frequency-mixed PPP-RTK using low-cost GNSS chipset with different antenna configurations. Satellite Navigation, 4(1), 26.
Odolinski, R., & Teunissen, P. J. (2016). Single-frequency, dual-GNSS versus dual-frequency, single-GNSS: a low-cost and high-grade receivers GPS-BDS RTK analysis. Journal of geodesy, 90(11), 1255-1278
Odolinski, R., & Teunissen, P. J. (2017). Low-cost, 4-system, precise GNSS positioning: a GPS, Galileo, BDS and QZSS ionosphere-weighted RTK analysis. Measurement science and technology, 28(12), 125801
Odolinski, R., & Teunissen, P. J. (2020). Best integer equivariant estimation: Performance analysis using real data collected by low-cost, single-and dual-frequency, multi-GNSS receivers for short-to long-baseline RTK positioning. Journal of geodesy, 94(9), 91.
Robustelli, U., Cutugno, M., & Pugliano, G. (2023). Low-Cost GNSS and PPP-RTK: Investigating the Capabilities of the u-blox ZED-F9P Module. Sensors, 23(13), 6074.
U-blox (2023a). ZED-F9P-04B u-blox F9 high precisión GNSS module. Data sheet. Available online: https://www.u-blox.com/sites/default/files/ZED-F9P-04B_DataSheet_UBX-21044850.pdf
Wielgocka, N., Hadas, T., Kaczmarek, A., & Marut, G. (2021). Feasibility of using low-cost dual-frequency gnss receivers for land surveying. Sensors, 21(6), 1956.
Zhou, P. (2020). Low-Cost Real-Time Precise Point Positioning (PPP) Correction Service with High Availability and Accuracy.
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