CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

Transcripción

1 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Speaker: ALEXIS OCASIO AGOSTO, PLS, EIT, CDT, CSI Manager, CSA Group Land Surveying & GIS Division

2 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Sistema de Posicionamiento Global, (GPS) GPS (Global Positioning System): Sistema de Posicionamiento Global o NAVSTAR-GPS - es un sistema global de navegación por satélite que permite determinar en cualquier parte del mundo y a cualquier hora la posición de un objeto con una precisión que puede llegar hasta subcentimetros. El sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Sistema Global de Navegacion, (GNSS) GNSS (Global Navigation Satellite System): sistema que combina la recepcion de todas las constelaciones de satelites de navegacion disponibles, tanto civiles como militares. Algunos de estos son GPS, Galileo, Beidou y GLONASS.

3 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Sistemas de Posicionamiento o Navegación NAVSTAR GPS NAVigation Satellite Timing and Ranging, Global Positioning System Operado por EE UU. GLONASS GLobal Orbiting NAvigation Satellite System Operado por Rusia. Galileo Despego el 21/10/2011, se completara en el 2020 Operado por la Comunidad Europea. BeiDou / Compass - Actualidad regional limitada, global en 2020 Operado por China. GNSS Global Navigation Satellite System = Sistema de navegación por satélite con cobertura global Todos los anteriores. Otros de uso limitado: IRNSS India, DORIS - Francia, QZSS- Japón.

4 GPS, Características Generales Desarrollado por el Departamento de Defensa de los EE UU Diseñado como sistema de navegación Accesible Civil y Militarmente A prueba de las inclemencias del tiempo Variedad de precios Provee: Cobertura a nivel mundial, todo el planeta Accesible las 24 horas Respuesta rápida Sistema de coordenadas uniforme, (WGS84). Exactitud CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Navegación, 3 20 m Agrimensura, mm s

5 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Componentes del Sistema

6 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE 1- Estaciones terrestres de control y monitoreo 1 estación principal en Shriever Air Force Base en el estado de Colorado 4 estaciones adicionales alrededor del mundo

7 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE 2 Los satélites orbitando el planeta >24 satélites orbitando a 22,000 KM de distancia Diseñados para durar 7.5 años 4 satélites en 6 orbitas Se completa una orbita cada 12 horas Un satélite se puede observar por 5 horas

8 3 Los usuarios CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Navegación Aérea Aviones, Helicópteros Marítima Embarcaciones de todos los tamaños Terrestre Peatones y Vehículos Militares Agrimensura Georeferenciación Estudios Diseño, Replanteo, Construcción Sistemas de Información Geográfica, GIS Sistemas de Manejo de Emergencias Sistemas de Rastreo y Monitoreo Conservación, Agricultura Recreación, Geocaching Otros

9 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Cómo Funciona? Las estaciones terrestres de control y monitoreo fueron establecidas con extrema precisión. Las orbitas de los satélites son preprogramadas, monitoreadas y corregidas continuamente. La continua comunicación de los satélites entre si y con las estaciones terrestres, les permite determinar su posición con respecto al planeta. Los satélites transmiten su posición constantemente y esta es interceptada por las unidades receptoras de los usuarios.

10 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Cómo Funciona? Estamos localizados dentro de una esfera de radio R con respecto a los satélites. 2 esferas se interceptan formando un circulo. 3 esferas se interceptan en un punto. 3 desconocidas, Latitud, Longitud, Elevación, (X,Y,Z). 3 satélites generan 3 ecuaciones y se resuelven las ecuaciones obteniendo una posición 3D. Problema!! Los satélites no están estáticos y tampoco el usuario cuando navega.

11 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Cómo Funciona? Solución! Se integra el factor tiempo a la ecuación. La posición 3D se calcula para un momento en especifico. Todos los componentes sincronizan sus relojes. Las distancias son medidas hasta cada satélite usando códigos time dependent. Una onda radial viaja a la velocidad de la luz, ( 299,792,458 m/s = 3x10^8 m/s) Distancia = Velocidad X Tiempo. Los relojes en los receptores GPS son menos exactos que los de los satélites. El desfase entre los relojes introduce error, 1/10 seg = 30,000 Km de error, 1/1,000,000 seg = 300m de error. Este error se resuelve incorporando un cuarto satélite para resolver las cuatro desconocidas. Latitud, Longitud, Elevación y Hora.

12 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Cómo Funciona? El ejercicio de resolver las ecuaciones, es similar en principio a un problema de resección. A mayor cantidad de satélites, en exceso de 4, mayor será la exactitud de la posición calculada.

13 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Cómo Funciona? WGS World Geodetic System desde +/ WGS 84 World Geodetic System of 1984 Marco de referencia definido por el National Geospatial- Intelligence Agency y utilizado por el Departamento de Defensa. Su origen esta en el centro de masa de la tierra. Es el sistema utilizado por GPS como datum. Practicamente identico al NAD83. Es ajustado utilizando la tecnologia de GPS.

14 Fuentes de error CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Errores de los satélites, orbita incierta, los relojes. Errores de los receptores, los relojes, estática, interferencias, noise. Errores de observación, ionosféricos, troposféricos. La ionosfera o ionósfera - es la parte de la atmósfera terrestre ionizada permanentemente debido a la fotoionización que provoca la radiación solar. Se sitúa, aproximadamente, entre los 85 km y los 700 km de altitud. La troposfera o tropósfera - es la capa de la atmosfera que está en contacto con la superficie de la Tierra. Tiene alrededor de 17 km de espesor en el ecuador y en ella ocurren todos los fenómenos meteorológicos que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y los huracanes. Además, concentra la mayor parte del oxígeno y del vapor de agua. Errores en las estaciones, coordenadas, geoide o datum equivocados, Multipath. Constelación de satelites mal distribuida. Constelación defectuosa

15 Fuentes de error CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE 400 Magnitud, metros Reloj Sat. Errores receptor Multipath Errores Troposfericos Orbitas y programación Ionosfericos Reloj Receptor

16 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Prevención de errores Monitoreo y corrección constante de los satélites y sus orbitas. Mejor calidad de receptores. Planificación y monitoreo de las condiciones del tiempo. Verificar coordenadas, considerar las obstrucciones. Monitorear las constelaciones y planificar las observaciones.

17 El Futuro CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE Equipos mas sofisticados y exactos. Mayor cantidad de satélites, mas satélites por hora. Mayor accesibilidad Económica UserFriendly Globalización de los DATUMS y sistema de unidades. Mejores modelos geoidales. Mayor cantidad de aplicaciones, mayor integración a la vida diaria.

18 CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE

19 Preguntas CONCEPTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE

20 A Crash Course on Datum Transformation Speaker: Alexis Ocasio Agosto, PLS, EIT, CSI, CDT Accredited by: DDPEC, CIAPR, IACET

21 A Crash Course on Datum Transformation A G E N D I. Introduction II. Types of Datums III. Difference among Datums III. Datum Transformation IV. Available Transformation Tools V. Questions A

22 I N T R O D U C T I O N A datum (plural datums or data) is a reference from which measurements are made. In surveying, a geodetic datum is a set of reference points on the earth's surface against which position measurements are made, and (often) an associated model of the shape of the earth (ellipsoid) to define a geographic coordinate system. Horizontal datums are used for describing a point on the earth's surface, in latitude and longitude or another coordinate system. Vertical datums measure elevations or depths.

23 T Y P E S of D A T U M S Geodetic datums define the size and shape of the earth and the origin and orientation of the coordinate systems used to map the earth. Hundreds of different datums have been used to frame position descriptions since the first estimates of the earth's size were made by Eratostenes. Datums have evolved from those describing a spherical earth to ellipsoidal models derived from years of satellite measurements. Modern geodetic datums range from flat-earth models used for plane surveying to complex models used for international applications which completely describe the size, shape, orientation, gravity field, and angular velocity of the earth.

24 D I F F E R E N C E S Referencing geodetic coordinates to the wrong datum can result in position errors of hundreds of meters. Different nations and agencies use different datums as the basis for coordinate systems used to identify positions in geographic information systems, precise positioning systems, and navigation systems. The diversity of datums in use today and the technological advancements that have made possible global positioning measurements with sub-meter accuracies requires careful datum selection and careful conversion between coordinates in different datums.

25 D I F F E R E N C E S NAD 27, (Puerto Rico Datum) Vs. NAD 83 Ley para adoptar el Sistema de Coordenadas Planas Estatales de Puerto Rico Ley Núm. 264 aprobada en 16 de noviembre de 2002 Para adoptar el Sistema de Coordenadas Planas Estatales utilizando el método de la Proyección Conforme Cónica Lambert y el North American Datum of 1983, o su versión más reciente, como el sistema de mapa oficial de las agencias, instrumentalidades y municipios del Estado Libre Asociado de Puerto Rico, a los fines de uniformar el uso de proyecciones cartográficas por los organismos gubernamentales, disponer lo relativo a la certificación de ubicaciones o posiciones geográficas, y para otros fines. NAD stands for North American Datum Different points of origin Different geographical areas Different methods of mathematical adjustments Different True North Different coordinates values In Puerto Rico NAD27 -> X= 123, , Y= 12, NAD83 -> X= 123, , Y= 123,

26 T R A N S F O R M A T I O N Mathematical Methods GPS measurements to ENU measurements Step 1: Convert GPS to ECEF function [X,Y,Z] = llh2xyztest(lat,long, h) % Convert lat, long, height in WGS84 to ECEF X,Y,Z %lat and long given in decimal degrees. lat = lat/180*pi; %converting to radians long = long/180*pi; %converting to radians a = ; % earth semimajor axis in meters f = 1/ ; % reciprocal flattening e2 = 2*f -f^2; % eccentricity squared chi = sqrt(1-e2*(sin(lat)).^2); X = (a./chi +h).*cos(lat).*cos(long); Y = (a./chi +h).*cos(lat).*sin(long); Z = (a*(1- e2)./chi + h).*sin(lat) Step 2: Convert ECEF to ENU function [e,n,u] = xyz2enutest(xr, Yr, Zr, X, Y, Z) % convert ECEF coordinates to local east, north, up phip = atan2(zr,sqrt(xr^2 + Yr^2)); lambda = atan2(yr,xr); e = -sin(lambda).*(x-xr) + cos(lambda).*(y-yr); n = -sin(phip).*cos(lambda).*(x-xr) - sin(phip).*sin(lambda).*(y-yr) + cos(phip).*(z-zr); u = cos(phip).*cos(lambda).*(x-xr) + cos(phip).*sin(lambda).*(y-yr) + sin(phip).*(z-zr);

27 T R A N S F O R M A T I O N Graphical Methods: CAD technology allow us to transform from one datum to another by simply moving and/or rotating a digital drawing or raster image. Field Observation Method: Current GPS and/or surveying technology allow us to transfom from one datum to another. This can be achieved by simply occupying or taking shots from points or a baseline, in a given datum, to points or a baseline in another datum. Occupying points in an arbitrary or different coordinates system and tie them to the desired coordinates system. Software Transformation: Currently available softwares allow us to switch or transform between known, published, datums or coordinates system. Some of this are Corpscon, NADCON, Vertcon and many more. Corpscon 6.0 Geodetic Software Published by the USACE

28 C O R P S C O N

29 C O R P S C O N

30 Q U E S T I O N S

31 SPC USER DERFINED DATUM PARAMETERS FOR HANDHELD GPS RECEIVERS State Plane Coordinates (X,Y), NAD 83, Meters: Latitud del origen = 17 deg 50 Longitud del origen y meridiano central = 66 deg 26 Paralelo Estándar Sur = 18 deg 02 Paralelo Estándar Norte = 18 deg 26 Este (X) del origen = 200, m Norte (Y) del origen = 200, m State Plane Coordinates (X,Y), NAD 27, (PR Datum), Meters: Latitud del origen = 17 deg Longitud del origen y meridiano central = 66 deg Paralelo Estándar Sur = 18 deg Paralelo Estándar Norte = 18 deg Este (X) del origen = 152, m Norte (Y) del origen = m