HERMANN DREWES SISTEMAS DE REFERENCIA EN GEODESIA INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI

Transcripción

1 Z SISTEMAS DE REFERENCIA EN GEODESIA INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI Polo celeste BOGOTÁ D. C., COLOMBIA MARZO, 2001 Satélite (X s, Y s, Z s ) Fuente radar extragaláctica (α, δ) Z ' Telescopio (X' p, Y' p, Z' p ) S (Xs-X'p) 2 + (Ys-Y'p) 2 + (Zs-Z'p) 2 Estación (X' p, Y' p, Z' p ) Y Sistema ecuatorial instantáneo X Y' Sistema terrestre convencional HERMANN DREWES X' DEUTSCHES GEODÄTISCHES FORSCHUNGSINSTITUT (DGFI) (INSTITUTO ALEMÁN DE INVESTIGACIONES GEODÉSICAS)

2 Contenido del Curso 1. Definición, necesidad, clásificación, jerarquía, ejemplos de sistemas de referencia, servicios internacionales 2. Orientación de la Tierra en el espacio Sistemas de referencia celestes inerciales, causas de la variación de la rotación de la tierra en el espacio, métodos astronómicos para la observación de las variaciones 3. Rotación de la Tierra en el sistema terrestre 4. Teoría de la rotación Movimiento del polo, variación de la velocidad de la rotación, longitud del día, causas de las variaciones (atmósfera, océanos) 5. Observaciones de la variación de la rotación terrestre Variaciones históricas y actuales, separación de las frecuencias, correlación con observaciones meteorológicos y oceanográficos 6. Sistemas de referencia terrestres 7. Definición y realización (materialización) Métodos de observación geodésica, resultados globales, continentales y nacionales, utilización en la práctica 8. Teoría de la tectónica de placas Observaciones geológicas y geofísicas, modelos del movimiento de las placas 9. Sistemas de referencia cinemáticos Observaciones geodésicas, modelos del movimiento actual de las placas, deformaciones regionales 10.Sistemas de referencia verticales Definición del tipo de alturas, superficies de referencia, variación de la superficie del mar, determinación del geoide, materialización de sistemas de referencia verticales

3 Sistemas de referencia geodésicos Sistema de referencia: Definición de modelos, parametros, constantes, etc., que sirven como base para la descripción del estado geométrico ó de los procesos físicos de la Tierra o de la superficie terrestre (p.ej., sistema cartesiano tridimensional ortogonal, con el eje Z paralelo al eje de la rotación terrestre, el eje X pasando por el meridiano de Greenwich, la escala dada por la constante gravitacional geocéntrica, GM, y la velocidad de la luz, v 0...) Marco de referencia: Realización (materialización) de un sistema de referencia por un juego de entidades físicas y matemáticas (p.ej., un número de puntos monumentados sobre la superficie terrestre con sus coordenadas geocéntricas tridimensionales X, Y, Z ó elipsoidales ϕ, λ, h dadas convencionalmente. Datum geodésico: Parámetros que conectan las mediciones con el sistema de referencia, p.ej., tamaño y orientación de un elipsoide de referencia, (p.ej., GRS80 ó WGS84 con semieje mayor a = m, achatamiento dinámico J 2 = (corresponde al achatamiento geométrico f = 1: ), y su orientación con respecto al sistema geocéntrico dada por las desviaciones de la vertical y las ondulaciones del geoide en puntos fundamentales (estaciones Laplace)). Importante: Los sistemas de referencia no se pueden determinar por mediciones, sino que se definen convencionalmente. P.ej., las coordenadas y direcciones geodésicas no son valores estimables, éstas requieren de una base (sistema de ejes de coordenadas) a la cual referirse; mientras que, distancias y ángulos son independientes de un sistema de referencia (excepto la escala de las distancias). El marco materializa un sistema de referencia físicamente y matemáticamente. Hay que cuidar, que no se introducen más valores que los necesarios. P.ej., un sistema de coordenadas bidimensional requiere sólo de tres valores para fijarse: dos coordenadas para definir el orígen y una coordenada más para dar la orientación. Si se fijan mas valores, se pueden crear tensiones en el sistema. El dátum geodésico se define, clásicamente, por una convención arbitraria. Su orientación con respecto a un sistema de referencia se determina más tarde por observaciones superiores.

4 Necesidad de los sistemas de referencia Geodesia global: La geodesia es la ciencia encargada de la medición y representación cartográfica de la superficie terrestre (Helmert 1880). Esto incluye la determinación de la figura (tamaño) y del campo de gravedad de la Tierra. Esta definición requiere de un sistema de referencia global único que permite la representación en forma integrada. Cartografía: La cartografía se encarga de la representación de la topográfía, límites políticos y geográficos, estructuras de ingeniería y de urbanización, etc. Para evitar confusiones (p.ej. en las fronteras) se requiere de un sistema de referencia único del área (global, continental, regional). Navegación: La navegación clásica utiliza varios marcos de referencia. La navegación moderna utiliza posicionamiento automático. Las coordenadas de los aeropuertos, carreteras, faros etc. deben darse en un sistema de referencia único. Ingeniería: El levantamiento clásico de construcciones de ingeniería (túneles, diques, puentes, etc.) se hizo, clásicamente, en sistemas de referencia locales. Hoy en día se puede utilizar los métodos modernos (p.ej. GPS). Esto requiere de un sistema único para la zona de construcción. Catastro: El catastro define los límites entre propiedades y la clasificación del terreno. Para evitar confusiones en los límites se requiere de un sistema de referencia único para la zona. Clasificación de los sistemas de referencia Sistemas de referencia convencionales: Definición arbitraria (convencional) de los ejes coordenados, vectores principales o direcciones de referencia. Sistemas de referencia inercial: Sistema de referencia sin aceleración (gravedad y rotación). Sistemas de referencia cuasi-inercial: Sistema de referencia que considera una aceleración lineal.

5 Jerarquía de los sistemas de referencia Denominación Vectores principales Ejemplo (aplicación) Sistema de observación visual ν mediciones de (local) gravedad γ dirección y distancia Sistema del horizonte gravedad γ redes terrestres (regional) rotación terrestre Ω Sistema ecuatorial rotación terrestre Ω geodesia satelital (global) equinoccio ϒ Sistema eclíptico equinoccio ϒ astronomía óptica (heliocéntrico) polo eclíptico ψ Sistema (extra-) galáctico (como ecuatorial) radioastronomía

6 Ejemplos de sistemas de referencia y dátum Sistemas de referencia World Geodetic System 1984 (WGS84): Sistema de referencia global que originalmente fue establecido para determinar las coordenadas de las órbitas de los satélites Doppler. Fue adoptado también para las órbitas de los satélites NAVSTAR GPS (broadcast ephemerides). IERS Terrestrial Reference System (ITRS): Sistema de referencia del Servicio Internacional de Rotación Terrestre (IERS) establecido para la determinación de la rotación de la Tierra en el sistema de referencia celeste (ICRS) por combinación de diferentes técnicas espaciales. Marcos de referencia IERS Terrestrial Reference Frame (ITRF): Materialización del ITRS por un número de estaciones en la superficie terrestre (apróximadamente 300) con coordenadas dadas para una época fija y sus variaciones en el tiempo (velocidades). Sirve para la determinación de las órbitas precisas de los satélites GPS por el Servicio GPS Internacional (IGS). Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas (SIRGAS): Densificación del ITRF, inicialmente establecido para América del Sur por 58 estaciones en1995 y extendido al Caribe, Norte y Centroamérica en 2000 (formalmente adoptado en febrero de 2001). Dátum geodésicos Preliminary South American Datum 1956 (PSAD56): Establecido por coordenadas astronómicas y desviaciones de la vertical observadas en La Canoa, Venezuela. Desviación del geocentro: X = -288 m, Y = 175 m, Z = -376 m. South American Datum 1969 (SAD69): Establecido por coordenadas astronómicas y desviaciones de la vertical observadas en Chua, Brasil. Desviaciones X = -57 m, Y = 1 m, Z = -41 m. Observatorio Bogotá: Establecido por coordenadas astronómicas y desviaciones de la vertical en el Observatorio Astronómico de Bogotá. Desviaciones X = 307 m, Y = 304 m, Z = -318 m.

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8 IERS: International Earth Rotation Service Governing Board Analysis Coordinator Central Bureau Technique Centers Product Centers: Celestial Reference External Services: IGS Earth Orientation Terrestrial Reference ILRS Rapid Service, Predicts Geophysical Fluids IVS Conventions Electon. Interfaces Documents Users IERS Bulletin A: IERS Bulletin B: Publicaciones Dos veces por semana por ASub-Bureau for Rapid ServiceA - Parametros de la orientación preliminares, predicciones Mensualmente por ACentral BureauA - ERP: soluciones individuales y de combinación, UTC EOP(IERS)C04: Soluciones combinadas, actualizadas dos veces por semana (incl. los datos de los servicios anteriores, BIH, electronico) Annual Report: Solución final ERP, ITRF, ICRF y reportes de trabajo Special Bulletin C: Anuncios de los segundos de corrección en UTC Special Bulletin D: Anuncio de los valores DUT1 para la transmisión del tiempo Technical Notes: Publicaciones especiales (p.ej. Standards, ITRF,...) IERS Gazette: Informaciones generales del IERS (electronicamente)

9 Estructura del IERS (desde ) Central Bureau: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG), Frankfurt, GER Director: B. Richter Analysis Coordinator: M. Rothacher, München, GER Celestial Reference: Observatoire de Paris, FRA US Naval Observatory (USNO), Washington, USA Director: J. Souchay, FRA Earth Orientation: Observatoire de Paris, FRA Director: D. Gambis Terrestrial Reference: Institut Géographique Nacional (IGN), Paris, FRA Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut (DGFI), München, GER Director: C. Boucher, FRA Rapid Service / Prediction: US Naval Observatory (USNO), Washington, USA Director: James Ray Geophysical Fluids: NASA GSFC, Greenbelt, USA Director: B.F. Chao Conventions: D. McCarthy, USNO, USA

10 Estructura del Servicio GPS Internacional IGS: International GPS Service Governing Board Central Bureau JPL Pasadena, USA Analysis Coordinator Data Centers Analysis Centers Operational Centers Regional Data Centers Global Data Centers Analysis Centers Global Net Associate Analysis Centers Regional Net Associate Analysis Centers Otros servicios con estructura similar: International Laser Ranging Service (ILRS) Central Bureau: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) Central Bureau: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA