GPS tipos introducción , Tesinas de Topografía

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Instrucción El presente trabajo dará a conocer el funcionamiento y beneficio que la tecnología GPS nos brinda en la rama de la topografía. El Sistema de Posicionamiento Global o GPS(Global Positioning System), aunque su nombre correcto es NAVSTAR-GPS1, los sistemas de referencia en 3 dimensiones nos indican global de navegación por satélite que nos ofrece precisar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave.

Alcanzando una precisión hasta de centímetros, Aunque su invención se atribuye a los gobiernos de Francia y Bélgica, el sistema fue desarrollado e instalado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, del que actualmente se encarga.

El GPS funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) en órbita a 20. km sobre el globo terráqueo, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra.

Marco teórico

Historia Cómo empezó este sistema de posicionamiento global

En el año 1957 la ex URSS envió al espacio el satélite Sputnik I. Éste era controlado observando el efecto doppler que la señal transmitía. Rápidamente la Armanda norteamericana utilizó este sistema para dar y conocer la exacta localización de sus flotas de navegación. Así nacía TRANSIT, un sistema que estuvo a la venta en 1967.

En esa época las actualizaciones de posición estaban disponibles cada cuarenta minutos. El problema era que el que observaba tenía que permanecer inmóvil para obtener datos útiles.

Pero gracias a la construcción de relojes atómicos, se pudieron desarrollar un conjunto de satélites: cada uno de estos tenía un reloj atómico. Todos estaban sincronizados con marcos de tiempo determinado. Los programas de la Fuerza Aérea y de la Armada estadounidenses se unificaron y dio lugar a la NAVSTAR GPS.

El programa de la Fuerza Aérea consistía en una transmisión codificada de datos específicos que usaba una señal modulada con un código de ruido semi aleatorio.

Once prototipos experimentales NAVSTAR fueron lanzados entre 1978 y 1985. Luego siguieron otras generaciones satelitales hasta tener la constelación actual. Ésta tuvo su capacidad inicial operacional en 1993. Su capacidad total operacional fue en abril de 1995.

Ya en 1994, el país, para colaborar con la Organización de Aviación Civil Internacional, ofreció el servicio normalizado de determinación de la posición.

Arquitectura del sistema GPS El sistema se descompone en tres segmentos básicos, los dos primeros de responsabilidad militar: segmento espacio , formado por 24 satélites GPS con una órbita de 26560 Km. de radio y un periodo de 12 h.; segmento control , que consta de cinco estaciones monitoras encargadas de mantener en órbita los satélites y supervisar su correcto funcionamiento, tres antenas terrestres que envían a los satélites las señales que deben transmitir y una estación experta de supervisión de todas las operaciones ; y segmento usuario , formado por las antenas y los receptores pasivos situados en tierra. Los receptores, a partir de los mensajes que provienen de cada satélite visible, calculan distancias y proporcionan una estimación de posición y tiempo

Es decir, con el GPS podemos saber dónde nos encontramos, dónde hemos estado y hacia dónde nos dirigimos.

Usar un receptor GPS es fácil una vez que sabemos como hallar las coordenadas de un mapa y entendemos la relación que las coordenadas guardan con nuestros movimientos sobre el suelo.

Limitaciones Las radioseñales emitidas por los satélites no pueden penetrar una vegetación densa, rocas, edificios, o accidentes geográficos, por tanto, el receptor no funcionara en selvas o bosques frondosos, valles estrechos o entre rascacielos.

Si la antena del recepto GPS no tiene suficiente sensibilidad para captar las señales de los satélites disponibles, será imposible predecir el terreno o la situación en que trabaje la recepción GPS.

Partes de las que consta un GPS:

1. Antena con preamplificador
2. Sección de radio frecuencia o canal
3. Micro procesador para reducción, almacenamiento y procesamiento de datos
4. Oscilador de precisión para la generación de los códigos pseudo aleatorios utilizados en la medición del tiempo de viaje de la señal
5. Fuente de energía eléctrica
6. Interfaces del usuario (pantalla, teclado de comandos).
7. Memoria de almacenamiento Evolución del sistema GPS El GPS está evolucionando hacia un sistema más sólido, el GPS III, con una mayor disponibilidad y que reduzca la complejidad de las aumentaciones GPS. Algunas de las mejoras previstas comprenden:
8. Incorporación de una nueva señal en L2 para uso civil.
9. Adición de una tercera señal civil (L5): 1176,45 MHz
10. Protección y disponibilidad de una de las dos nuevas señales para servicios de Seguridad Para la Vida (SOL).
11. Mejora en la estructura de señales.
12. Incremento en la potencia de señal (L5 tendrá un nivel de potencia de - 154 dB).

6. Mejora en la precisión (1 – 5 m).
7. Aumento en el número de estaciones monitorizadas: 12 (el doble)
8. Permitir mejor interoperabilidad con la frecuencia L1 de Galileo El programa GPS III persigue el objetivo de garantizar que el GPS satisfaga requisitos militares y civiles previstos para los próximos 30 años. Este programa se está desarrollando para utilizar un enfoque en 3 etapas, una de las etapas de transición es el GPS II. El programa es muy flexible, permite cambios futuros y reduce riesgos.

El desarrollo de satélites GPS II comenzó en 2005, y el primero de ellos estará disponible para su lanzamiento en 2012, con el objetivo de lograr la transición completa de GPS III en 2017. Los desafíos son los siguientes:

1. Representar los requisitos de usuarios, tanto civiles como militares, en cuanto a GPS.
2. Limitar los requisitos GPS III dentro de los objetivos operacionales.
3. Proporcionar flexibilidad que permita cambios futuros para satisfacer requisitos de los usuarios hasta 2030.
4. Proporcionar solidez para la creciente dependencia en la determinación de posición y de hora precisa como servicio internacional.

Fuentes de error La información procedente de cada satélite que viaja en una señal puede verse afectada por distintas fuentes de error:

El levantamiento RTK El método de trabajo con GPS en tiempo real se compone de un GPS fijo de referencia (estación de referencia) y un GPS en movimiento (rover).

El receptor fijo lo situamos sobre un punto de la red básica de coordenadas conocidas calculadas en la fase anterior en el sistema de referencia local. Éste vértice se denomina vértice o estación de referencia.

La metodología en tiempo real se basa en el cálculo de ambigüedades en el mismo instante de la toma de datos. Tras poner en funcionamiento el receptor de referencia se ha de esperar que éste resuelva las ambigüedades antes de proceder a la obtención de datos de los puntos del levantamiento. Si el número de satélites sobre el horizonte y su geometría es válido, el receptor de referencia fija ambigüedades en pocos minutos. Una vez realizada ésta operación el cálculo de coordenadas de los demás puntos será instantáneo.

La comunicación entre la estación de referencia y los rover, es posible gracias al sistema de telecomunicaciones utilizado para la transmisión, con un alcance de 5Km entre ambos receptores. Para evitar problemas de comunicación entre receptores debe elevarse la antena del receptor lo máximo posible.

El RTK se está convirtiendo en el método de levantamiento GPS de alta precisión más común, en áreas pequeñas y puede ser utilizado en aplicaciones donde se utilizan las estaciones totales convencionales, esto incluye levantamientos al detalle, estaqueo , replanteo, aplicaciones COGO, etc..

El procedimiento para efectuar el levantamiento al detalle con equipos GPS en tiempo real requiere el mismo equipo que para posicionamientos diferenciales, además de sistemas de transmisión de telecomunicaciones.

EL RADIO ENLACE

La mayoría de los sistemas RTK emplean pequeños radio módems UHF. Muchos usuarios experimentan problemas con la radio comunicación del sistema RTK, por lo tanto, vale la pena considerar los siguientes factores para tratar de optimizar el funcionamiento de la radio:

La potencia del radio-transmisor. A mayor potencia, mayor alcance La altura de la antena del transmisor. Las comunicaciones por radio se pueden ver afectadas por falta de líneas de visibilidad. Cuanto más alto se pueda instalar la antena, menores serán los problemas por falta de líneas de visibilidad y aumentará el alcance de las comunicaciones. El mismo principio se aplicará a la antena receptora.

http://premega.blogspot.com/2013/04/topografia-con-gps-en-tiempo-real-rtk_24.html.

¿Cómo se calcula la posición?

El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros que son la posición del satélite y el reloj del mismo. Dicha información es recogida en la señal enviada por el satélite hasta el receptor, siendo el proceso de cálculo el siguiente:

1. La situación de los satélites es conocida por el receptor con base en las efemérides2 , parámetros que son transmitidos por los propios satélites.
2. El receptor GPS mide su distancia de los satélites, y usa esa información para calcular su posición. Esta distancia se mide calculando el tiempo que la señal tarda en llegar al receptor. Conocido ese tiempo y basándose en el hecho de que la señal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satélite.
3. Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor.
4. Son necesarios al menos cuatro satélites para obtener la posición, con tres satélites somos capaces de calcular la posición en tres dimensiones, mientras que el cuarto nos permite eliminar los errores de sincronismo. Podemos resumir esto en el siguiente sistema de ecuaciones:

Galileo: el nuevo sistema europeo de navegación Galileo se ha planteado como un sistema que permita ser independiente a Europa del GPS y el GLONASS, pero que sea complementario a ambos y que permita la interoperabilidad con éstos. Cuando el proyecto esté completado se dispondrá de 30 nuevos satélites que conjuntamente con GPS y GLONASS permitirá obtener un posicionamiento muy preciso. El escenario de Galileo es particularmente interesante porque implica a diferentes países que han buscado la forma de actuar conjuntamente para desarrollar el nuevo sistema.

4.4 MÉTODOS DE MEDICIÓN CON GPS Hay muchos aspectos que influyen en la elección de una técnica de observación. Normalmente son los requerimientos de precisión, la distancia entre puntos, los costos y la información técnica de campo que se solicita (todos ellos relacionados).

4.4.1 MÉTODO ESTÁTICO Este fue el primer método en ser desarrollado para levantamientos con GPS conocido también como Posproceso. Puede ser utilizado para la medición de líneas bases largas (generalmente 20km o más). Se coloca cada uno de los receptores con que se cuenta en puntos cuyas posiciones fueron trazadas con anticipación auxiliándose mediante montajes de planos topográficos utilizando el software “Autocad Civil 3D” en Google Earth. También se apoya de otra herramienta llamada “Web Mission Planning” que se encuentra dentro del menú de la barra de herramientas del software “GNSS Solutions”, el cual nos brindará un panorama del estado de los satélites y valores de ciertos parámetros como son el PDOP (Disolución de la Precisión 80 con respecto a su Posición), de los satélites visibles en el lugar de trabajo y de esa manera programar el día y horas de trabajo.

Una vez llegado al campo se ubican cada uno de los GPS con que se cuenta aproximadamente en el lugar trazado en campo, según convenga; tomando en cuenta algunos aspectos tales como: el punto debe estar lo más despejado posible a su alrededor, libre de arboles y construcciones; accesible para llegar en vehículo; que no hallan líneas de alta tensión sobre él; ser intervisible con otro punto que se quiera dejar de amarre para realizar un levantamiento con equipo de Teodolito o Estación Total. Los datos de cada uno de los receptores son registrados en las estaciones en forma simultánea; brindando los mismos tiempos de grabación para cada uno de los receptores ubicados en cada estación. El tiempo de observación en cada estación dependerá de la longitud de la línea, el número de satélites que se estén observando en cada estación y de la Dilución de la Precisión (DOP) con respecto al tiempo, ubicación y geometría que son parámetros numéricos que influyen en la calidad de la observación y de los cuales explicaremos más adelante. Como regla general con líneas bases más largas requieren tiempos de observación más largos, a mayor distancia entre un punto y otro, corresponde más tiempo de medición, la relación es directamente proporcional (la figura muestra un esquema de una línea base).

Cuando se ha registrado suficiente información, los receptores se apagan y se ubican en una nueva posición hasta cubrir todas las ubicaciones trazadas, posteriormente estos datos son procesados en conjunto con archivos de observación de ese día de trabajo proporcionados por estaciones CORS los cuales se utilizan como puntos de control para dar ubicación a las estaciones trazadas en el plano; mediante un programa llamado GNSS Solutions el cual nos permitirá posprocesar la información obtenida en campo por los receptores.

Esta técnica de medición no siempre es recomendable para levantamientos topográficos (debido al tiempo requerido de observación para cada punto, así como el costo). Entre algunos usos donde se utiliza esta técnica podemos mencionar:

Determinación de Redes geodésicas de alta precisión milimétrica. Establecimiento de puntos de Control Geodésicos. Control de movimientos tectónicos y deformación de Volcanes. Establecimiento de poligonales cerradas. Parámetros a introducir al receptor en Método Estático Altura de la antena vertical o inclinada (2.5m). Identificación de la estación (PT-01). Descriptor de la estación (PLG-1). Tiempo de Observación en minutos (40minutos o más) Intervalo de grabación( 10 ó 5 segundos)

La técnica y el funcionamiento de este método es igual que el método Stop & Go cinemático (RTK, Cinemático en Tiempo Real), con la diferencia que este es aplicado en los siguientes trabajos: F 0 B 7Levantamiento de detalles en zona despejada F 0 B 7Levantamientos de ejes de carreteras F 0 B 7Medición de perfiles transversales La técnica consiste en programar el receptor móvil llamado rover para que guarde lecturas de posición a lo largo de una línea continua cada cierto tiempo, podría ser cada 5 segundos para obtener el perfil de un eje de calle, cordón cuneta o sección trasversal. El rover siempre comunicado con la base desplazándose a una velocidad uniforme a lo largo de la línea de interés. La precisión: (2 cm + 2 ppm).