Escuela de Ingeniería Civil-UTPL TOPOGRAFÍA APLICADA Autora: Nadia Chacón Mejía UNIDAD 4 Sistema de Posicionamiento Global

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1 UNIDAD 4 Sistema de Posicionamiento Global El Sistema de Posicionamiento Global es un sistema de posicionamiento terrestre diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, consta de 24 satélites que se encuentran alrededor de la Tierra distribuidos en seis orbitas con una inclinación de 55 respecto al ecuador, giran a una distancia aproximada de km. 1 Figura 4.1 Sistema GPS Fuente: Modificado del libro BANNISTER-RAYMOND-BAKER, Técnicas Modernas en Topografía, Séptima edición, pág En cada orbita se encuentran cuatro satélites de los cuales tres funcionan permanentemente y el otro sirve de repuesto de esta manera se puede observar desde cualquier lugar de la Tierra entre cuatro y ocho satélites. Con este sistema se pueden determinar posiciones exactas en cualquier lugar de la Tierra a cualquier hora del día, en el día o en la noche sin ser afectado por la lluvia o por la niebla, ya que funcionan en todo tipo de condición climatológica. El sistema GPS NAVSTAR (Navigation System by Time and Range) empezó a operar en 1973, en Rusia también desarrollaron un sistema similar llamado GLONASS (Global Navigation Satellites System), también está formado por 24 satélites los cuales se encuentran en tres orbitas. Inicialmente el sistema fue diseñado para fines militares y para la navegación pero en la actualidad tiene muchas otras aplicaciones, además de los pilotos y marineros también lo utilizan los despachadores, conductores de vehículos, bomberos, ambulancias, brigadas de rescate, los agricultores, etc.

2 En la Topografía es de gran utilidad, pues disminuye el tiempo y costo en los levantamientos. Este sistema presenta muchas ventajas con respecto a los sistemas tradicionales debido a su gran rapidez y precisión. Los últimos receptores GPS son pequeños y de bajo costo, por lo que se cree que en poco tiempo todas las personan tendrán uno, y de esta manera podrán conocer su posición en cualquier momento del día. El sistema GPS está compuesto por tres segmentos: Segmento espacial Segmento de control Segmento del usuario Segmento espacial: Este segmento está compuesto por los 24 satélites que se encuentran en el espacio. Los satélites GPS se impulsan solarmente con baterías de niquel-cadmio para proporcionarles energía durante eclipses. 1 Cada satélite tiene cuatro relojes atómicos. Segmento de control: Se encarga del control total de los satélites, de que estén en correcto funcionamiento y de mantenerlos en órbita. Está compuesto por cinco estaciones de monitoreo, una estación de control principal y cuatro estaciones de observación que se encuentran alrededor de la Tierra. La estación de control principal se encuentra ubicada en Colorado Springs, Estados Unidos y el resto de estaciones en la isla Ascensión (Atlántico del Sur), Diego García (Océano Índico), Kwajalein (Pacífico Occidental) y Hawaii (Pacífico Central). 2 Cada estación de observación rastrea los satélites y transmite sus posiciones a la estación de control principal, donde se determina la posición exacta de los satélites. El sistema GLONASS tiene su estación maestra en Moscú y al igual que el GPS el resto en diferentes lugares de la Tierra. Segmento del usuario: Tiene la función de receptar las señales de los satélites, los receptores pueden ser móviles o fijos. Consta de una antena y un receptor, las señales de los satélites son recibidas por la antena y luego esta transmite al receptor por medio de un cable. 1 BANNISTER-RAYMOND-BAKER, Técnicas Modernas en Topografía, Séptima edición, pág. 177.

3 Figura 4.2 Segmentos del sistema GPS Fuente: Modificado del libro DANTE ALCÁNTARA GARCÍA, Topografía y sus aplicaciones, Primera edición, pág Funcionamiento del GPS: 3 El funcionamiento del GPS consta de cinco pasos: Determinación de la posición Determinación de las distancias Obtención de una sincronización perfecta Determinación de la posición de cada satélite en el espacio Fuentes de error Determinación de la posición: Para poder determinar la posición de un punto sobre la superficie terrestre se debe conocer su distancia desde varios satélites, por lo menos deben ser cuatro. Determinación de las distancias: Existen dos métodos para determinar la distancia entre el receptor y el satélite: Medición de seudodistancias, y Medición de la fase portadora Medición de seudodistancias: La distancia entre cada uno de los satélites y el punto se determina multiplicando la velocidad de la señal de radio transmitida por el satélite al receptor, la cual es igual a la velocidad de la luz, por el tiempo en que tarda en llegar al receptor. Este tiempo se

4 calcula por medio de códigos que generan al mismo tiempo el satélite y el receptor, los cuales deben estar sincronizados, de esta forma se puede determinar el tiempo transcurrido. La distancia entre el receptor y el satélite se calcula con la siguiente fórmula: Donde: Obtención de una sincronización perfecta: Para que no existan errores en la determinación de la posición del punto los relojes del receptor y el satélite deben estar perfectamente sincronizados. Pero no siempre se puede conseguir esto debido a que los relojes que se encuentran en los satélites son muy precisos mientras que los relojes de los receptores no lo son, por lo tanto los relojes pueden estar adelantados o atrasados presentándose errores en las distancias, esto es a lo que se llama seudodistancias, por esta razón se realiza la medición de las distancias a cuatro satélites y de esta manera el receptor resuelve el problema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas para encontrar el desajuste de los relojes determinando la posición correcta del punto. 4 Medición de la fase portadora: Este método es similar al proceso de medición de distancias con instrumentos electrónicos. Al igual que el método de seudodistancias los relojes del satélite y el receptor deben estar sincronizados para poder realizar la medición. Este procedimiento se lo realiza por diferenciación, esto consiste en tomar lecturas en dos satélites al mismo tiempo y en observar un solo satélite desde dos estaciones. La fórmula que se utiliza para determinar la distancia por medio de este es la siguiente: Donde:

5 Determinación de la posición de cada satélite en el espacio: La posición de cada uno de los satélites se determina por medio de la estaciones de control, cada satélite pasa sobre todas las estaciones dos veces al día y de esta forma las estaciones pueden determinar su altitud y su posición en el espacio. Algunos receptores también pueden determinar su posición debido a que contienen un almanaque. Fuentes de error: A continuación se presentan algunas fuentes de error que nos sirven para asegurar la exactitud de las mediciones con el GPS: La ionosfera puede afectar en las mediciones disminuyendo la velocidad de las señales del GPS, pero los receptores de doble frecuencia pueden solucionar este problema. El vapor de agua de la atmósfera también puede causar lo mismo que la ionosfera pero su efecto es muy pequeño. Los relojes de los satélites también pueden tener variaciones pero las estaciones de control se encargan de ajustarlos. También se pueden producir errores en los relojes de los receptores debido a transferencias eléctricas. Cuando las señales no llegan en línea recta sino que chocan en algún objeto se ocasionan errores pero los receptores pueden reducir este problema. Dependiendo de la posición de los satélites se calcula la distancia sin que se presenten errores, un receptor puede analizar la posición y escoger los mejores cuatro satélites. Corrección de errores: 5 Se puede utilizar un receptor con un solo canal y de bajo costo en levantamientos que no requieren gran precisión, este determina la distancia a cuatro satélites en un tiempo de 2 a 30 segundos. El requerimiento de un posicionamiento preciso en tiempo real, ha llevado al desarrollo de receptores con un mayor número de canales, los cuales son capaces de reducir al máximo el error de localización utilizando los métodos de posicionamiento diferencial. El error en una medida se puede determinar por la diferencia entre la posición calculada y la posición exacta del receptor, ubicando el receptor en un punto de coordenadas conocidas y calculando su distancia a un conjunto de satélites. Las correcciones se pueden enviar desde una estación base por medio de estaciones de radio. Códigos transmitidos por el GPS: El código pseudo-aleatorio transmitido se compone de tres tipos de cadenas: El código C/A (Coarse/Acquisition), con frecuencia MHz., utilizado por los usuarios civiles. El código P (Precision Code), de uso militar, con una frecuencia 10 veces superior al código C/A. El código Y, que se envía encriptado en lugar del código P cuando está activo el modo de operación antiengaños.

6 Los satélites transmiten la información en dos frecuencias: Frecuencia portadora L1, a MHz., transmite los códigos C/A y P. Frecuencia portadora L2, a MHz., transmite información militar modulada en código P. El satélite transmite además una señal de 50 Hz. en ambas portadoras L1 y L2, que incluye las efemérides y las correcciones por desviación de sus relojes. 2 Planeación de un levantamiento con GPS: Antes de realizar un levantamiento por satélite se debe efectuar una planeación del mismo, en el cual se deben considerar varios factores como: Selección de la ubicación de las estaciones Preparación de los programas de observación Agrupamiento de satélites (configuración geométrica de los satélites) Selección de la ubicación de las estaciones: Las estaciones deben tener un buen acceso a los vehículos que transportan los equipos, deben ser marcadas y descritas de la mejor forma para que después no haya dificultad para encontrarlas. Deben estar ubicadas de tal forma que exista una buena visibilidad a los satélites. Preparación de programas de observación: Se debe planear el levantamiento respecto al software que se vaya a utilizar, con estos programas es posible determinar la disponibilidad de satélites con solo introducir la latitud y longitud del área que se va a levantar, de esta manera se puede saber que satélites serán visibles desde una estación en un cierto periodo de observación. 6 Agrupamiento de satélites: El ángulo cenital entre el receptor y el satélite no debe ser menor a 15, debido a que en posiciones con ángulos menores a este, los satélites no pueden ser observados. Los siguientes gráficos indican la forma en cómo deben estar agrupados los satélites. 2 CSIC Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Obtenido a través de la red el 14 de mayo del 2010 a través de

7 Figura 4.3 Agrupamiento de satélites Fuente: Modificado del libro BANNISTER-RAYMOND-BAKER, Técnicas Modernas en Topografía, Séptima edición, pág Procedimientos GPS: El posicionamiento mediante el GPS se determina por medio de dos receptores, uno se lo establece en un punto fijo (máster), el cual tiene una posición conocida y el otro es un receptor móvil, punto en el cual se va a determinar su posición. De esta manera si se presentan errores en la medición se pueden corregirlos ya que se conoce la posición de un punto. 7 Existen diferentes métodos para determinar la posición de un punto con el GPS: Estático Cinemático De tiempo real Estático: Con este método se alcanza la máxima precisión, para realizar las lecturas es necesario que la estación y el receptor estén ocupadas un tiempo de 5 min a unas horas para poder disminuir los errores. Cuando se requiere determinar la posición de varios puntos se puede emplear dos procedimientos, uno llamado salto de rana consiste en ubicar el receptor móvil en el primer punto y el máster se lo traslada al segundo punto, luego el móvil al tercer punto y así sucesivamente. El otro método se denomina estático rápido y se lo emplea en áreas pequeñas, el receptor máster permanece en el punto donde fue ubicado al inicio y el móvil se va trasladando a cada uno de los puntos. Con este se obtiene una menor precisión. Cinemático: El receptor móvil y el máster deben ubicarse en puntos de coordenadas conocidas por unos minutos para inicializar el levantamiento, luego se mueve el móvil a cada uno de los puntos y se toman las lecturas. Al terminar el levantamiento el móvil debe regresarse a su estación de inicio

8 para revisar el trabajo realizado. Se debe mantener una conexión por lo menos con cuatro satélites para poder aplicar este método. De tiempo real: Para poder determinar la posición mediante este procedimiento se debe tener conexión con cinco satélites, y los receptores deben estar conectados por radio para poder transmitir las correcciones, generalmente no deben estar separados más de 10 km. En este método también se requiere un periodo de inicialización. Figura 4.4 Método de tiempo real Fuente: Modificado del libro TORRES NIETO ALVARO, Topografía, Cuarta edición, pág Sistema de coordenadas: Por medio de un sistema tridimensional de coordenadas se expresan las relaciones de espacio entre los satélites y los puntos de la Tierra donde se encuentra ubicados los receptores GPS, tiene como origen un foco de la órbita del satélite, la recta que une los dos focos es el eje de las X, el eje de las Y se encuentra en el plano de la órbita y el eje de las Z es perpendicular a dicho plano.

9 Figura 4.5 Sistema de coordenadas con satélites GPS Fuente: Modificado del libro TORRES NIETO ALVARO, Topografía, Cuarta edición, pág Aplicaciones del GPS: El Sistema de posicionamiento global tiene muchas aplicaciones, a continuación se detallan algunas de ellas: Mediante las señales que transmite el GPS se pueden estudiar los fenómenos atmosféricos, el análisis de la señal que atraviesa la troposfera sirve para la elaboración de modelos de predicción meteorológica. El GPS es de gran ayuda en expediciones de investigación en zonas de difícil acceso y en lugares donde se presentan muchos obstáculos. En Geología se utiliza para estudiar el movimiento de las placas tectónicas, y de esta forma se puede predecir terremotos en zonas geológicamente activas. Para la Topografía es una herramienta básica en levantamientos de terrenos. Gracias a la alta precisión de este sistema se utiliza para monitorizar las deformaciones de grandes estructuras metálicas o de cemento sometidas a cargas. Se utiliza para la supervisión del transporte de mercancías mediante alarmas automáticas que se encuentran conectadas a un receptor GPS. En el servicio eléctrico se utiliza para sincronizar los relojes y de esta manera poder detectar posibles fallas en el mismo. El GPS también es utilizado por los invidentes para poder trasladarse de un lugar a otro en la ciudad. La industria turística emplea el GPS para optimizar los recorridos entre los diferentes lugares que se va a visitar. Se utiliza para la planificación de trayectorias y control de flotas de vehículos, de esta forma se optimizan los recorridos. 9

10 En la actualidad el sistema GPS se emplea en la aviación civil tales como vuelos domésticos, transoceánicos y en la operación de aterrizaje. Las líneas aéreas ahorran millones de dólares al utilizar el sistema GPS para realizar planes de vuelo. Los conductores pueden saber donde se encuentran y recibir indicaciones de dirección ya que se están instalando GPS en los vehículos. 10

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