GEODESIA. I semestre, Ing. José Francisco Valverde Calderón Sitio web:

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1 1 GEODESIA I semestre, 2015 Ing. José Francisco Valverde Calderón jose.valverde.calderon@una.cr Sitio web:

2 Segmentos de un sistema GNSS 2 Segmento espacial Segmento de control Segmento de usuario

3 Tipos de receptores y aplicaciones (GPS) 3 Receptores de código Navegadores Código C/A Navegadores Uso Civil Código P Uso militar Receptores de código y fase Receptores topográficos y geodésicos L1 L1 L2 Mono-frecuencia: SIG, mapeo Topográficos Receptores de dos frecuencias: Geodésicos

4 Receptores 4 GPS para navegación GPS para mapeo y GIS Equipo GNSS para RTK Equipos GNSS para estaciones de medición continua

5 Tipos observables (GPS) 5 Mediciones de código: Código C/A en L1 Código C/A en L2C* Código C/A en L5* Código P en L1** Código P en L2** * = cuando este disponible ** = código se transmite encriptado Fase de la portadora L1 (1) Fase de la portadora L2 (2) Fase de la portadora L2C (2C)* Fase de la portadora L5 (5)* * = cuando este disponible Mediciones de fase de la portadora:

6 Señales del sistema GPS 6 Los osciladores en los satélites generan una frecuencia fundamental f o con una estabilidad del orden de s Las oscilaciones son producidos por osciladores de Cesio y Rubidio. La f o tiene una frecuencia de MHz Dos* señales portadoras de la banda L, denominadas L1 y L2 son generadas por la multiplicación de enteros por fo. *= la modernización del sistema GPS implica la emisión de nuevas portadoras L1 = 154 fo = MHz, = cm L2 = 120 fo = MHz, = cm Como parte del programa de modernización del sistema, en 1999 se anuncia la emisión en los satélites del bloque IIR y siguientes, de la señal de uso civil denominada L5, con f = MHz

7 Código C/A y P 7 Código C/A Significa Coarse/Adquisition. Esta disponible para uso civil, designado para el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS). Frecuencia código C/A: fo/10 (1.023 MHz), repetido cada milisegundo. Esto quiere decir que son millones de dígitos binarios por segundo Código P Es el código mas preciso el cual ha sido reservado para el ejercito de los Estados Unidos y otros usuarios autorizados. El código P, designado para el Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS). El código P modula a ambas portadoras: L1 y L2 Se repite cada días. Frecuencia código P = Mhz

8 Seudodistancia por código 8 El calculo de la seudodistancia se efectúa al comparar el receptor recupera del proceso de demodulación con el código que esta recibiendo. Estos están desfasados, por que al lograr correlacionarlos, se determina un Δt (diferencia de tiempo) t Código Satélite Código Receptor

9 Seudodistancia por código 9 El error en el reloj del satélite puede ser modelado con base a los coeficientes que son trasmitidos en el mensaje de navegación. De esta forma, obtenemos la expresión general para calcular la seudodistancia S: S ct S c t t S S c tr t c R S c t S c t R t c t S c R La anterior ecuación es valida si la única fuente de error fuera el reloj del satélite. k S i b M e i i 2 i i 1,2 i i f1 I k k T k c k k k

10 Seudodistancia por código 10 Removiendo el efecto de la ionosfera y troposfera usando modelos adecuados, calculando la corrección para el error del satélite y despreciando el efecto multipath y el desplazamiento entre canales se tiene: i k k S c e i i i Se tienen tres incógnitas que son las coordenadas geocéntricas del centro de fase de la antena y una cuarta que es el error en el reloj del receptor del receptor. Es por ello que se requieren al menos cuatro satélites para determinar la posición tridimensional del punto de interés. Recordar que el error del reloj del receptor se puede eliminar al formar simples diferencias. k

11 Mediciones de fase 11 c N (6) I k k k i k k k k k i i T ( ) ( ) 2 i Ni c i o io mi i f1

12 Levantamientos con GNSS 12 De acuerdo al número de receptores usados en el levantamiento ABSOLUTO RELATIVO De acuerdo al movimiento del receptor: ESTATICO CINEMÁTICO De acuerdo al procesamiento de los datos: TIEMPO REAL POST-PROCESO De acuerdo al tipo de medición (observable) CÓDIGO FASE

13 Fuentes de error en las mediciones GPS 13 Toda observación esta afectada por errores aleatorios, los cuales no pueden ser eliminados. En el caso del sistema GPS, algunos errores pueden ser eliminados; otros pueden ser modelados y otros se minimizan al hacer el ajuste de las observaciones. Las fuentes de error en las mediciones con GPS se clasifican en: Los dependientes de los satélites y las órbitas de estos. Los que se presentan cuando la señal se propaga desde el satélite al receptor. Los provocados por el equipo en Tierra. Los causados por el operario. Otros

14 Fuentes de error en las mediciones GPS 14 Por los satélites: Errores en los parámetros orbitales Relatividad Errores en el oscilador (reloj) del satélite Variaciones en el APC del satélite Disponibilidad Selectiva (S/A) y Anti-Spoofing (AS) En la propagación de las señales Atmosfera ionizada (ionosfera) Atmosfera neutra (Troposfera y estratosfera) Perdida de ciclos Multipath

15 Fuentes de error en las mediciones GPS 15 En el equipo Estado del reloj del receptor Variación del centro de fase de la antena Incertidumbre en la medición Retardos electrónicos (latencia) Equipo no registra datos Errores causados por el operario (1/2) Mala lectura de la altura de la antena Omisión de la medición de la altura de antena No iniciar o finalizar la sesión a la hora indicada El equipo se llevo al campo incompleto Incorrecta identificación del punto sobre el que se midió No verificó la carga de la batería o memoria del equipo Croquis incorrecto

16 Fuentes de error en las mediciones GPS 16 Otros Inestabilidad del monumento que materializa la estación Árboles u elementos reflejantes Actividad solar Cambios en las coordenadas de las estaciones de referencia, por deformaciones en la corteza o otros No considerar la época de medición

17 Contenido 7.1 Método estático diferencial 7.2 Estaciones de recepción continua 7.3 Independencia de vectores 7.4 Efemérides precisas 7.5 Aplicaciones 17 X X Y Coordenadas Cartesianas Tridimensionales Z

18 Posicionamiento relativo 18 Método que se debe aplicar en las labores topográficas y geodésicas, ya que estas metodologías satisfacen las los requerimientos y exigencias de exactitud Redes geodésicas = metodologías relativas Levantamientos con GPS = metodologías relativas** El objetivo del posicionamiento relativo es determinar las coordenadas de un punto desconocido con respecto a un punto conocido: X X X B A AB X X X B A AB X Y Y Y AB B A AB Z Z Z B A AB

19 Posicionamiento relativo 19 Condiciones 1. Al menos dos receptores midiendo al mismo tiempo 2. Los receptores deben recibir la señal de los mismos satélites (al menos cuatro comunes) A diferencia del posicionamiento absoluto donde se determina la posición del receptor, en las técnicas relativas se determina un vector tridimensional, denominado Línea Base o Baseline El vector esta determinado por los incrementos de coordenadas: X X Y Incremento de coordenadas cartesianas tridimensionales Z

20 Posicionamiento relativo 20

21 Posicionamiento relativo 21 El concepto de medición relativa implica que los errores que afectan las observaciones son iguales o por lo menos semejantes en cada receptor y sus efectos se van a eliminar o por lo menos a reducir cuando de hace la diferenciación de observaciones

22 7.2 Estaciones de recepción continua 22 Características de un buen sitio para un monumento Sitio rocoso de alta calidad Horizonte despejado Seguro contra vandalismo Libre de superficies reflejantes De fácil acceso Acceso a los datos vía internet o por radio Acceso continuo a energía eléctrica Sin inestabilidades locales en la corteza Vegetación controlada

23 7.2 Estaciones de recepción continua 23 Características para el monumento Estable en el tiempo Interacción cero con la señal Bajo costo constructivo Diseño simple Fácil de instalar Resistente a la corrosión

24 7.2 Estaciones de recepción continua 24 Elementos que afectan los monumentos Clima (heladas, viento, lluvia, variaciones de temperatura) Impactos Movimientos de los cimientos causados por cambios en el contenido de humedad Expansiones y contracciones del suelo Inestabilidad de taludes Erosión Actividad humana Interferencia de radio frecuencias Presencia de fallas geologicas Obstrucciones Vandalismo

25 7.2 Estaciones de recepción continua 25 Mantenimiento físico de las estaciones / incorporación de nuevas estaciones Limpieza de los domos, debido que con el tiempo se ensucian Lubricar los tornillos que hacen de tornillos calantes en la base nivelante. Horizontalidad de antena Estado del cable que conecta la antena con el receptor Verticalidad de los postes (monumentos) sobre los cuales están colocadas las antenas y el estado de los mismos De debe planificar y presupuestar el reemplazo de los equipos Es necesario definir una política de uso de los datos Es necesario establecer normativa técnica para la incorporación de nuevas estaciones

26 7.2 Estaciones de recepción continua 26

27 Estación en Nicoya

28 7.2 Estaciones de recepción continua 28 Estación GNSS en el Cerro Buena Vista

29 Buenas practicas en el diseño del monumento 29 Minimización del multipath al seleccionar la mascara de elevación optima Evaluar el ambiente para determinar fuentes de multipath o interferencias por radio frecuencias presentes en los sitios de instalación Minimizar la cantidad de metal en las proximidades de la antena Usar materiales con un bajo coeficiente de expansión térmica cuando se esperan grandes variaciones de temperatura Atado a la base sólida por medio de fundaciones estables Evitar montar la antena GPS dentro de 24.4 cm o múltiplos exactos de esta distancia, de una potencial fuente de multipath Usar pararrayos Instalar instrumentos de medición horizontal y vertical (inclinómetros, entre otros) cuando alta exactitud (sub-mm) es deseada Evitar que en las cercanías de la estación hayan líneas de alto voltaje

38 7.3 Independencia de vectores 38 Entre los aspectos a considerar en las mediciones esta el de la independencia de vectores. Se debe garantizar para el procesamiento de los datos que todos los vectores a utilizar son independientes De forma general, si se dispone de n receptores, en cada sesión puedo obtener n-1 vectores independientes Ejemplo: se dispone de tres receptores para medir el triangulo En la primera sesión solo dos vectores son independientes, por ejemplo el vector 1-3 y 1-2. Se requiere otra sesión para determinar el vector 2-3 de forma independiente

39 7.4 Aplicaciones 39 Establecimiento del Marco de Referencia Terrestre Densificaciones del Marco de Referencia Control de obras civiles Monitoreos para fines geológicas y geofísicos Levantamientos y replanteos Actualizaciones de IDE s Sitios con información International GNSS Service Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas EUREF