UNIVERSIDAD YACAMBÚ

ESPECIALIZACIÓN GERENCIA MENCIÓN REDES Y TELECOMUNICACIONES

EQUIPOS Y POSICIONAMIENTO POR SATELITES

Barquisimeto 2004

La Geodésica y los GPS y DGPS

Ing. Emibel Porta Aldana

INTRODUCCIÓN

El Sistema de Posicionamiento Global tiene una variedad de aplicaciones en tierra, aire y mar. Básicamente, la tecnología GPS puede ser utilizada en cualquier lugar, menos en aquellos en los cuales es imposible recibir señal, como por ejemplo dentro de edificios, subterráneos o bajo el agua. En el aire, los GPS son utilizados para la navegación aérea, tanto en aeronáutica militar como en aviación comercial y general. En el mar, los GPS también son utilizados por aficionados a la náutica, pescadores y marinos profesionales. Las aplicaciones terrestres en cambio son más diversificadas. La comunidad científica por ejemplo utiliza la tecnología GPS para obtener datos de posición y tiempo muy precisos.

Los avances tecnológicos de la informática y de electrotecnia han venido a revolucionar la manera de practicar la topografía. Primero con la aparición de los instrumentos de los electrónicos de medida del distancias (EDM) y ahora más recientemente con los receptores GPS.

El GPS se utiliza hoy en día en todos los usos topográficos, su precisión milimétrica permite su uso en aplicaciones de determinación de ángulos, distancias, áreas, coordinación de puntos, etc. Las aplicaciones terrestres son más diversas, como por ejemplo geodesia, investigación climática o medida de la dinámica tectónica del planeta.

Los agrimensores utilizan los GPS cada vez más dentro de su trabajo. Esta tecnología permite ahorrar en costos ya que reduce drásticamente el tiempo que el profesional debe pasar en el sitio de medición aún obteniendo datos muy precisos.

Se definirán los dos conceptos más resaltantes de este trabajo:

GPS se traduce habitualmente como Sistema de Posicionamiento Global, sin embargo, posicionamiento no sería el término más adecuado; lo más correcto es el uso de ubicación o localización.

Geodesia es una ciencia interdisciplinaria que utiliza sensores remotos transportados en satélites espaciales y plataformas aéreas y mediciones terrestres para estudiar la forma y las dimensiones de la Tierra, de los planetas y sus satélites así como sus cambios; para determinar con precisión su posición y la velocidad de los puntos u objetos en la superficie u orbitando el planeta, en un sistema de referencia terrestre materializado, y la aplicación de este conocimiento a distintas aplicaciones científicas y técnicas, usando la matemática, la física, la astronomía y las ciencias de la computación.

Acerca de la geodesia

En los métodos geométricos, los satélites se consideran como blancos "visibles" distantes que pueden ser observadas simultáneamente por estaciones terrestres diversas. Después del concepto clásico de redes terrestres de la triangulación, los satélites se pueden considerar como "cimas" de redes tridimensionales extensas. El comportamiento dinámico del satélite en su órbita no tiene importancia aquí. Las coordenadas de nuevos puntos se determinan relativamente a las posiciones sabidas de estaciones terrestres. El método geométrico se asigna como "método directo", porque las posiciones de los satélites entran directamente en la solución.

En los métodos dinámicos, los satélites se consideran como cuerpos de la prueba (sensorial) en el campo de la gravedad de la tierra. El comportamiento del satélite en la órbita bajo influencia de todas las fuerzas de funcionamiento en él tiene importancia esencial, porque conclusiones son sacadas en estas fuerzas de funcionamiento y, con esto, la información sobre el campo de la gravedad de la tierra. Por otra parte, las órbitas de los satélites se conservan en base a lo calculado en un modelo dinámico y los comentarios a las posiciones del satélite de estaciones terrestres conocidas. En estos casos, los satélites pueden entenderse como "portadores de sus coordenadas", y esto permite la determinación de las posiciones absolutas de nuevos puntos sin amarrar la posición sabida de estaciones terrestres en la vecindad. Los métodos dinámicos se asignan como "métodos indirectos", puesto que la amplitud procurada se deriva indirectamente de las órbitas de los satélites.

Los conceptos geométricos y dinámicos de geodesia para los satélites, se entienden hoy en día para el uso moderno de sistemas de satélites de forma común y más por separado.

El uso de los satélites artificiales en la geodesia tienen dos son pre-requisitos necesarios: el estudio de la representación del movimiento de los satélites bajo todas las fuerzas de funcionamiento y la descripción de las posiciones de los satélites y de los usuarios en sistemas de las coordenadas apropiados.

Para las tareas de geodesia clásica, los parámetros del elipsoide son elegidos de la forma que mejor se ajusten a una dada la región (el país o el continente). Normalmente, esta sobre un elipsoide local, y no de un elipsoide geocéntrico.

Acerca de los GPS y DGPS

La gran precisión que proporciona la tecnología de GPS la convierte en una formidable herramienta de trabajo para cualquier aplicación que requiera determinar posición, tiempo y/o dirección de movimiento en cualquier punto de la Tierra y cualquier condición meteorológica. 

Los fundamentos técnicos del sistema GPS son los siguientes: Un número de 21 satélites activos más 3 en reserva, orbitan alrededor de la Tierra a una altura de 20.170 km, efectuando una vuelta completa de periodos de 12 horas en seis planos orbitales situados a 55º sobre el plano ecuatorial.

Con esta disposición se asegura que, por lo menos, de cuatro a seis satélites son visibles simultáneamente en cualquier punto del planeta durante las 24 horas del día para asegurar la navegación a todo tipo de móvil. La frecuencia de transmisión se sitúa en la banda de radar de 20 cm, correspondiente a una frecuencia de 1.227,60 mhz y 1.542 mhz, incorporando a cada satélite cuatro relojes atómicos de altísima precisión.

La teoría básica del GPS se basa en la medida de la distancia desde el receptor a varios satélites, que se consideran puntos de referencia fijos en el espacio. De ahí la alta precisión requerida en los patrones de tiempo para minimizar errores. Son necesarias las indicaciones de tres satélites para obtener medidas precisas y válidas en 2D y cuatro satélites para 3D. La precisión obtenida depende de dos claves, asignadas por los americanos, la P (precisión), para uso militar, y la C/A (Coarse/Acquisition) para uso civil. En la primera de ellas se obtiene una precisión diabólica, ya que pueden resolverse cifras de centímetros. La clase C/A, que podríamos denominar "rango ampliado", proporciona menor precisión, aunque en condiciones normales el error no dificulta la utilización normal. Los parámetros proporcionados por la mayoría de los GPS comerciales son: situación geográfica en coordenadas, velocidad con respecto a tierra, tiempo estimado de llegada al punto de destino, tiempo transcurrido desde el inicio del movimiento, rumbo y desviación, puntos alternativos, entre los más importantes.

A medida que el uso de la tecnología GPS ha ido imponiéndose se han desarrollado numerosas integraciones con otros sistemas, sobre todo, con telecomunicaciones y SIG, que aprovechan o se nutren de la información suministrada por los receptores.

Desde el punto de vista de los incendios forestales, las aplicaciones más interesantes son:

- La utilización como sistema de navegación aérea de aviones y helicópteros de vigilancia y extinción.

- El control y seguimiento de plataformas aéreas o terrestres.

- Integración entre GPS y SIG.

La utilización del GPS para levantar mapas y hacer estudios topográficos permite ahorrar tiempo y dinero con esta aplicación, la más exigente de todas. Actualmente, el equipo del GPS permite que un solo topógrafo realice en un día la labor que antes le tomaba varias semanas a todo un grupo. Además, la labor puede completarse con un nivel de precisión mayor que nunca.

Durante cientos de años, los topógrafos se han basado en instrumentos ópticos y aparatos de medición física. Los instrumentos ópticos (y los instrumentos de medición electrónica a distancia más recientes) requieren una línea de mira directa hasta el objetivo. Las cintas o cadenas para medir requieren que los topógrafos crucen a pie todo el terreno en cuestión para medir la distancia entre dos puntos. La gran ventaja del GPS es que no se tiene que establecer una línea de mira entre dos estaciones. En consecuencia, el estudio puede realizarse con cualquier tiempo o en las faldas opuestas de una montaña. Otra ventaja es que la precisión de los datos obtenidos no depende tanto como antes de la habilidad de quien utiliza el instrumento.

Como no hay que establecer una línea de mira entre las estaciones del GPS, se pueden hacer grandes economías en proyectos voluminosos en los que participan numerosos equipos de topógrafos en una extensión limitada. Se puede instalar un solo receptor del GPS como estación de referencia, que puede servir para muchos topógrafos, dedicado cada uno a una tarea distinta. Ello contrasta con el material topográfico convencional, con el cual por lo menos dos personas deben realizar una misma tarea (una a cada extremo).

El rastreo de fase de la portadora de las señales del GPS ha desatado una revolución en la topografía. Ya no es necesaria una línea de mira a lo largo del terreno para determinar la posición en forma precisa. Se puede medir la posición a 30 kilómetros de un punto de referencia, sin puntos intermedios. Ese uso del GPS requiere receptores de rastreo de la portadora especialmente equipados.

Las señales de las portadoras L1 ó L2 se utilizan en la topografía de fase de portadora. Los ciclos de portadora L1 tienen una longitud de onda de 19 centímetros. Las señales de portadora, si se rastrean y miden, pueden brindar mediciones de telemetría con un margen de error relativo de sólo algunos milímetros, en circunstancias especiales.

El rastreo de las señales de la fase de portadora no aporta información acerca del momento de la transmisión. Las señales de portadora, si bien se modulan con códigos binarios que llevan asignado un intervalo de tiempo, no lo indican de manera que se distinga un ciclo de otro. Las mediciones utilizadas en el rastreo de la fase de portadora son las diferencias entre los ciclos de la fase de portadora y las fracciones de ciclos en el curso del tiempo. Por lo menos dos receptores rastrean las señales de portadora al mismo tiempo. Las diferencias en el retraso ionosférica en ambos receptores deben ser suficientemente pequeñas para asegurar que los ciclos de la fase de portadora se tengan debidamente en cuenta. Ello requiere en general que ambos receptores estén aproximadamente a 30 kilómetros el uno del otro.

Páginas consultadas

http://eia.unex.es/informacion/gps/GPS%20avanzado.pdf

http://html.rincondelvago.com/gps-global-position-system-y-dgps.html

http://www.nautigalia.com/otrostemas/articulos.php4?id=2&pag=1

http://www.igm.gov.ec/cartografica/actividades/ac_geode.html

http://www.marnr.gov.ve/igvsb/Geod.htm

http://www.mrn.gouv.qc.ca/espanol/territorio/pericia/pericia-geodesia.jsp

http://www.elagrimensor.com.ar/Articulos.asp?Cadena=&Page=2

http://www.elagrimensor.com.ar/elearning/lecturas/gis_carmona.pdf

http://ttt.upv.es/~framos/Radio/gps.html

http://www.tronix.com.py/gps/gps_aplicaciones.htm

http://www.onu.org/documentos/conferencias/1999/unispace3/bp4.pdf