LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA INGENIERIA GEODESICA DEPARTAMENTO DE GEODESIA SUPERIOR
GEODESIA MARINA Aplicaciones y Sistemas de Navegación
PROF. MANAURE BARRIOS HERNANDEZ JESUS C.I.: 20.690.311 SANCHEZ LILIANA C.I.: 19.576.711 MARACAIBO, 2012
GEODESIA MARINA USUARIOS Y APLICACIONES DE LA GEODESIA MARINA. La Geodesia Marina es la rama de la Geodesia que tiene como orientación fundamental la formación del Ingeniero Geodesta, aplicar los aspectos de levantamientos geodésicos en los estudios y mediciones vinculadas con el posicionamiento geodésico marino utilizando las técnicas inerciales y satelitales, así como también los relacionados con el derecho marítimo internacional que sean aplicados a la frontera marítima y sus sistemas de representación. Tiene como objetivo aplicar con exactitud las diferentes técnicas de posicionamiento geodésico satelital en la determinación de posiciones geodésicas marinas. Esta se aplica para identificar claramente los problemas relacionados con las mediciones marinas, interpretar objetivamente los aspectos geodésicos del derecho marítimo internacional que tengan aplicabilidad en las frontera marítimas, relacionar y aplicar con exactitud los diferentes sistemas de representación de las mediciones geodésicas marinas y, definir y relacionar claramente el Datum vertical y el geoide marino. La Geodesia Marina, tiene como enfoque vincular cada una de las partes de la Geodesia en aplicabilidad para los estudios en la determinación del fondo marino, siendo las principales aplicaciones de esta, entonces:
Determinar posición tridimensional (coordenadas) en la superficie y fondo marino que servirán de control geodésico para establecer posición espacial de vehículos marítimos y levantamientos de proyectos de investigación y producción sobre la superficie del mar en general como movimiento de las placas en el fondo marino, puentes,
diques,
represas,
pozos
petroleros,
etc.,
así
como
también
la
determinación de la posición y figura de objetos naturales y artificiales en el fondo oceánico, todo esto para la representación de la topografía del fondo marino y la superficie de los océanos, esto puede ser a través de cartas náuticas, loxodrómicas, y cartografía en general de la superficie del mar.
Establecer y determinar las variaciones de los parámetros de Gravedad del Fondo marino para la determinación del Nivel Medio del Mar y el Geoide Marino como materialización de un sistema de referencia para alturas, e intentar resolver uno de los problemas principales de la Geodesia que es el desconocimiento de las masas cubiertas por océanos y líquidos.
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GEODESIA MARINA Estas influyen notablemente en general para el conocimiento de la topografía y la cartografía de los fondos oceánicos mediante técnicas como la altimetría satelital y la batimetría en ayuda para la navegación precisa y el posicionamiento, para la demarcación y delimitación de los limites marítimos, para estudios de tsunamis, tectónica de pla cas y la determinación del Geoide Marino como superficie de r eferencia. Estas aplicaciones generales de la Geodesia Marina, estarán ramificadas según las necesidades del usuario. Las necesidades económicas, militares de producción de comestibles, extracción de crudo y otras muchas mas, han demandado el establecimiento sistemático de puntos de control geodésico sobre las áreas marinas, con todas las demás tareas de tipo geodésico involucradas, esto con la intensión de llevar a cabo etas actividades de manera productiva, e incentivando de manera directa al crecimiento de la Geodesia Marina. Entre las actividades y aplicaciones de la Geodesia Marina, se tiene un sinfín de tareas multidisciplinarias tales como la cartografía, geología aplicada, geofísica aplicada, monitoreo ambiental, oceanografía, hidrología, etc. Como producto de la Geodesia Marina se obtiene la cartografía de los suelos marinos y su superficie en función de la utilidad, así como también parámetros que permitan los estudios
meteorológicos,
hidrológicos,
y
determinaciones
de
parámetros
para
la
investigación. En obras de ingeniería, entre las principales aplicaciones tenemos:
Obras portuarias, tanto en la construcción de nuevos proyectos como en la rehabilitación, drenado, ampliación, o trabajos de otros ya existentes.
Emplazamiento de los rompeolas, espigones, etc., en puertos y zonas costeras mediante el estudio de la influencia de la orografía en los m ovimientos de agua.
Simulación de predicción de movimientos de agua en zonas de interés, a través de modelos matemáticos y a partir de modelos digitales del fondo marino.
Tendidos de líneas subacuáticas, como pueden ser líneas eléctricas y fibra óptica u otro tipo de conductos como gasoductos, oleoductos, etc.
Prospecciones petrolíferas, tanto en tareas de análisis de las posibilidades de una zona como en el emplazamiento de las plataformas en sí.
Navegación y posicionamiento de equipos ROV (Remote Operated Vehicle) y sumergibles tripulados, y seguimiento durante y después de la inmer sión.
Optimización de transportes navales, mediante el estudio de las mejores alternativas a partir de modelos digitales del terreno.
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GEODESIA MARINA Sin embargo, la cartografía marina como producto de la Geodesia Marina es de aplicación en otros y muchos campos como:
Estudio y determinación de posibles vías de deposito y movimiento de sedimentos para analizar el riesgo de movimientos en los mismos e identificar vías de deposición de contaminantes en caso de vertido.
La biología, tanto en estudios de especies bentónicas, algas y fanerógamas marinas, como en evaluaciones de impacto ambiental.
Estudio de los movimientos tectónicos, erupciones volcánicas, etc.
Determinación de volúmenes, para las zonas de trafico naval y evitar riesgos de colisión en la zona.
Localización de precios y restos de naufragios, u otros objetos como minas, etc.
Identificación de zonas pesqueras.
Se tiene un sinfín de aplicaciones de la Geodesia Marina, lo que nos conlleva a tener una diversidad de usuarios de esta, cada uno con intereses en función de sus necesidades, como para actividades de investigación o de producción tales como:
Geólogos.
Biólogos.
Geofísicos.
Cartógrafos.
Geógrafos.
Meteorólogos.
Investigadores de la Hidrografía.
Usuarios Civiles.
Usuarios Militares.
Usuarios de la Marina.
Entes Gubernamentales.
Así como también empresas pesqueras, petroleras, y entes locales que llevan a cabo el desarrollo de obras de ingeniería.
Existen numerosas organizaciones y empresas que realizan estudios con intereses de la Geodesia Marina. El motivo es, el ámbito estatal, crear una fuente de información general y/o base de datos de las zonas económicas exclusivas así como cartas de navegación, cartas de pesca, etc. Asimismo, existe gran cantidad de empresas privadas que realizan
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GEODESIA MARINA estos estudios a escala local para obras concretas, o bien para estudios de sedimentación, biotopos, parques naturales, etc. A escala mundial, se destacan:
IFREMER: Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer
NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration
USGS: U.S. Geological Survey
IFHS: International Federation of Hydrographic Societies
IASPEI: International Association of Seismology and Physics of the Earth's
Interior. IHO: International Hydrographic Organization SHOM: Service Hydrographique et Océanographique de la Marine IAVCEI: Asociación Internacional de Vulcanología y Química del Interior de la Tierra IAGA: International Association of Geomagnetism and Aeronomy IAMAS: International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences IAHS: International Association of Hydrological Sciences IAPSO: International Association for the Physical Sciences of the Oceans
A escala Nacional se destacan:
IGVSB: Instituto Geográfico de Venezuela Simón Bolívar INEA: Instituto Nacional de los Espacios Acuáticos INC: Instituto Nacional de Canalizaciones SHN: Servicio de Hidrografía Naval. OCHINA: Oficina Coordinadora de Hidrografía y Navegación LUZ – LGFS: Laboratorio de Geodesia Física y Satelital de La Universidad del Zulia UDO: Universidad de Oriente UCV: Universidad Central de Venezuela ICLAM: Instituto para el Control y la Conservación de la Cuenca Hidrográfica del
Lago de Maracaibo PDVSA: Petróleos de Venezuela S.A.
MPP_Defensa MPP_Ambiente MPP_Relaciones Exteriores Empresa Privada: INCOSTAS
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GEODESIA MARINA LA NAVEGACIÓN La navegación se podría definir como el proceso de dirigir los movimientos de un vehículo, generalmente un barco o un avión, desde un punto a otro de la Tierra. La navegación puede realizarse en ambientes diferentes, entre los que se pueden mencionar, según el caso: la navegación marítima, la submarina, la aérea y la espacial, y en cada una de ellas se precisa de la ayuda de algunas ciencias, que en este sentido pueden dividirse en: -
Navegación plana , aquella que utiliza los principios de la geometría y de la trigonometría para resolver el problema de la situación del vehículo.
-
Navegación astronómica , la que toma las bases de la astronomía y de la trigonometría esférica.
-
Navegación electrónica , que emplea aparatos electrónicos.
Todos estos tipos de navegación presentan el mismo problema, que consiste en determinar, con la mayor exactitud posible, la posición geográfica que presenta el móvil, en un momento dado, para calcular el rumbo a seguir y llegar al lugar de destino. Por esto el hombre sintió la necesidad de contar con algún método que le permitiera conocer la dirección o rumbo que había de dar a su embarcación, saber el tiempo que necesitaba para llegar a su destino, y determinar dónde se encontraba cuando navegaba a la vista de la costa. Entonces, en forma rudimentaria, aparecieron los primeros instrumentos y con las descripciones de los navegantes y viajer os se inició la cartografía.
INSTRUMENTOS El primer instrumento que se cree que fue utilizado para la navegación es la brújula . El conocimiento de la propiedad magnética de atraer el hierro data de fechas anteriores, pero sólo en el siglo XI se descubrió su particularidad de orientarse siempre en el mismo sentido, indicando la dirección del Polo Norte; años después, la aguja
magnética basada en este principio y mejorada en muchos aspectos, ya que es simplemente una brújula más sensible y perfeccionada,
sigue
siendo
un
instrumento
de
vital
importancia para las embarcaciones que se adentren en los mares, puesto que al señalar continuamente al norte se puede calcular el rumbo que lleva
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GEODESIA MARINA el barco. El norte que marca la aguja magnética no es el norte geográfico sino el magnético. El descubrimiento de las propiedades del giroscopio , aparato que permite que la aguja gire, ocasionó que se creara el compás giroscópico con una aguja magnética que puede girar en cualquier dirección y por lo tanto no es desviada por las estructuras metálicas de la embarcación. La gravedad hace que se mantenga el giroscopio horizontal y la rotación de la Tierra lo orienta hacia el norte. En el siglo XII este instrumento es introducido en Europa por los árabes, cuando con sus flotas dominan el Mediterráneo, teniendo que realizar viajes lejos de la costa. Se piensa que además utilizaban los astros para orientarse, aunque en forma inexacta, ya que habían elaborado detalladas cartas astronómicas. Durante varios siglos las cartas han ido evolu cionando y su elaboración pasó por las fases de arte y arte-ciencia, hasta que llegó a ser la "ciencia de hacer cartas náuticas". Una
carta náutica es el mapa que tiene como finalidad la representación de zonas marítimas y costeras, con objeto de facilitar la navegación. Las antiguas cartas náuticas eran simples croquis o dibujos de mayor o menor exactitud, cuyo único objeto era el de que el piloto localizara el sitio de la costa por el que navegaba, pero no era posible calcular las distancias y hasta el siglo XVI, cuando el astrónomo belga Mercator descubrió las "latitudes crecientes", no se pudo hacer este cálculo. Mercator representó en sus cartas a los meridianos por líneas verticales y los paralelos por líneas horizontales. En la actualidad, las cartas que se usan para la navegación contienen una suma de datos y referencias que cubren los tres puntos básicos de: rumbo, distancia y situación, además de proporcionar otras numerosas informaciones, como por ejemplo profundidades, tipo de fondo, mareas, corrientes, etcétera.
1. Entre los instrumentos de navegación , uno de los primeros que se utilizaron fue el antecesor del actualidad
cuadrante
se
sigue
y éste del empleando.
astrolabio
sextante
plano,
que en la
Actualmente
los
instrumentos de navegación son de dos tipos: los que se emplean para el trazado y la observación y los de medida.
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GEODESIA MARINA Los de trazado son instrumentos de dibujo, como el compás, muy parecido al corriente, pero que presenta en ambos brazos puntas de acero; está diseñado para manejarlo con una sola mano y se utiliza para medir distancias sobre las cartas de navegación. Para determinar el rumbo y el tiempo de navegación se emplea el transportador, con el que se miden los ángulos sobre las cartas. Actualmente el compás, el transportador y las reglas han sido unidos en un solo instrumento, el tecnígrafo, que tiene mayor facilidad en su manejo y alcanza mayor precisión.
2. Los principales instrumentos de observación son los prismáticos, el sextante y el radar. Para medir la altura de los astros sobre el horizonte y concretamente la del Sol, se utiliza el
sextante ,
instrumento que permite medir la distancia angular entre dos
puntos cualesquiera usando un rayo de luz reflejada que hace ángulo con el de luz incidente, lo cual sirve para conocer la altura, la declinación y la latitud aproximada, y hace que de esta manera pueda calcularse la posición exacta de la embarcación.
El radar es un aparato electrónico que por medio de ondas radioeléctricas que forman el llamado "haz de radar", que actúa como explorador, señala la presencia de cualquier objeto de dimensiones apreciables que se encuentre entre la embarcación y el límite de alcance del aparato. Miden el tiempo entre la emisión de la señal y la recepción del eco se conoce la distancia a que se encuentra; además, por la dirección de las ondas se puede conocer la situación del objeto.
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GEODESIA MARINA También en la actualidad se encuentra e n fase experimental el llamado " giroscopio láser" o "giroláser", que tiene la ventaja de no tener partes móviles, no ser sensible a la aceleración y presentar alta resolución y elevada estabilidad. Consiste en una base triangular rodeada por tres espejos sobre los que convergen dos rayos láser que dan a conocer con mucha exactitud la posició n de su nave.
3. Los instrumentos de medición son todos aquellos que aportan las dimensiones de alguna magnitud importante, como los que permiten estimar la distancia recorrida por el barco y su v elocidad y los que se usan para medir la profundidad.
4. Los instrumentos de cálculo son todos los aparatos, tablas y calculadoras que se han ideado para simplificar los cálculos de navegación, aunque ninguno de ellos ha tenido una verdadera aceptación; sin embargo, actualmente con la utilización de las computadoras electrónicas en los barcos se puede conseguir el total automatismo de estos cálculos.
5. Los
aparatos de
comunicaciones dedicados
a
estas
actividades
son
transmisores y receptores que permiten la comunicación entre barcos o entre éstos y las estaciones costeras unidas a la red terrestre. La mayor parte del servicio se hace por medio de telegrafía, aunque actualmente se está empleando la radiotelefonía, especialmente para distancias cortas.
Con todos estos aparatos y medios, la navegación se ha ido caracterizando en diferentes tipos, por ejemplo, la navegación de estima, en la cual sobre las cartas náuticas se estima la situación del barco aplicando fórmulas de trigonometría. Este tipo de navegación sirve para conocer de manera aproximada los movimientos de la embarcación, por lo que se tiene que calcular cada hora y completar con métodos astronómicos, o por algún sistema electrónico.
La navegación costera es la que se realiza a la vista de la costa y tomando algunas características de ésta como referencia. Está basada en las cartas náuticas y en los lugares geométricos o líneas de posición.
La radionavegación comprende los sistemas que se basan en las señales de radio que se emplean para calcular la posición de la embarcación, y ha sido la base para desarrollar los sistemas de navegación electrónica que actualmente se utilizan y que son los radiofaros, los radiogoniómetros y el sistema Consol o Consolan.
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GEODESIA MARINA Por último, cada día se desarrolla más la navegación por satélite que exige aparatos complicados y personal experto en su operación.
SISTEMAS DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITES
Uno de los sistemas que cada día se usa más, sobre todo en los grandes barcos, como los petroleros, los atuneros y los de investigación, es el sistema de navegación por satélite , el cual elimina problemas de nubes, niebla y tormentas eléctricas, así como dificultades de propagación de las ondas. Este sistema emplea un satélite artificial puesto en órbita para este fin, el cual emite una señal de radio en frecuencia que es registrada por un receptor en el barco. El sistema está formado por cuatro satélites que aseguran el cálculo de la posición de un móvil en cualquier lugar de la Tierra. Los satélites registran los datos en su memoria y los transmiten cada dos minutos, lo que permite que las embarcaciones se sitúen con gran precisión, siendo las posibilidades de error sólo de algunos metros. De este modo se puede localizar un punto especial del océano con mucha seguridad, por lo que este sist ema es de gran utilidad en investigación .
SISTEMA DE NAVEGACIÓN ASTRONÓMICA Es la navegación y situación del buque por técnicas de posicionamiento basadas en la observación de las estrellas y demás cuerpos celestes. Las variables medidas para hallar la situación son: la altura angular observada de los astros sobre el horizonte, medida con el sextante (antiguamente con el astrolabio u otro instrumento), y el tiempo, medido con el cronómetro. Sabiendo el momento de la observación, y con los datos contenidos en el almanaque náutico, es posible determinar las coordenadas astronómicas del astro observado. Sabiendo las coordenadas del astro observado y la altura sobre el horizonte con que fue observado, podemos deducir que la posición del observador está situada en un círculo cuyo centro está situado en el punto geográfico situado directamente bajo el astro. Cualquier observador situado en cualquier punto de ese círculo observará el astro con la misma altura sobre el horizonte. El observador puede saber por tanto que su posición está en algún punto de este círculo.
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GEODESIA MARINA
En la práctica, el proceso matemático, llamado de "reducción" de la observación, puede resultar complejo para los no iniciados. A la altura observada con el sextante, es necesario aplicarle una serie de correcciones para compensar la refracción atmosférica, paralaje y otros errores. Una vez hecho esto, es necesario resolver por métodos matemáticos y trigonométricos un triángulo esférico. Hay muchos métodos para hacer esto. Los métodos manuales utilizan tablas (trigonométricas, logaritmos, etc.) para facilitar los cálculos. La aparición, a finales del siglo XX, de las calculadoras y computadoras electrónicas, facilitó grandemente el cálculo; pero la aparición del GPS, quitó importancia a la navegación astronómica, relegándola a un segundo plano como método alternativo en caso de fallo de la electrónica de abordo, o como hobby de interés científico. La milla náutica, equivalente a 1852 m, es una medida de convención que se estableció para simplificar las conversiones entre ángulos y distancias. Una milla náutica corresponde a un arco de un minuto de grado sobre la
superficie
terrestre.
Así
resulta
muy
sencillo convertir ángulos en millas y viceversa. Los ángulos
y
las
distancias
son,
por
lo
tanto,
equivalentes. Una excepción son los minutos de longitud, que equivalen a una milla sólo en las proximidades del Ecuador terrestre. Otra equivalencia importante en la navegación es la de las horas y los grados de longitud. Como la Tierra realiza un giro de 360° cada 24 horas, cada hora se corresponde con 15° de longitud.
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GEODESIA MARINA SISTEMA DE NAVEGACIÓN INERCIAL Un Sistema de Navegación Inercial es un conjunto de sensores empleado para obtener la aceleración en cada uno de los tres ejes de movimiento X, Y y Z. De esta forma, a partir de unos sensores de movimiento (acelerómetros), unos sensores de rotación (giróscopos) y un pequeño computador (necesario para obtener la posición y la velocidad integrando la aceleración), es capaz de estimar la posición, orientación y velocidad de un objeto sin necesidad de una referencia externa. Los sistemas de navegación inerciales se suelen utilizar en navegación marítima, aeronaves, misiles y naves espaciales, ya que un INS es capaz de detectar un cambio en la posición geográfica (un pequeño desplazamiento al norte o al este), un cambio en su velocidad (módulo y dirección) y un cambio en su orientación (rotación alrededor de un eje). Como este sistema no necesita una referencia externa (sólo inicialmente), es inmune a las interferencias que podría sufrir otro sistema, como el GPS. Existen diferentes tecnologías para construir los acelerómetros: mecánicos, eléctricos, etc. Una posible estructura consiste en utilizar un dinamómetro (instrumento que se utiliza para medir fuerzas). Como sabréis, la segunda ley de Newton establece que
de esta forma si conocemos la masa del objeto, podemos medir con el dinamómetro la fuerza F que actúa sobre la masa, simplemente despejando de la ecuación obtenemos la aceleración:
Los giróscopos son dispositivos empleados para medir la orientación. Presentan la ventaja frente a las brújulas magnéticas que son inmunes en relación con las anomalías electromagnéticas y ferromagnéticas que afectan a las primeras. Por otra parte, pueden aplicarse en situaciones en las que no existe campo geomagnético apreciable o cuando existen campos locales que provocan importantes perturbaciones. Los giróscopos, o giroscopios, mecánicos están constituidos por un volante o masa que rota suficientemente rápido alrededor de un eje, con la propiedad de que el eje de rotación de la masa mantenga siempre su orientación. Si el eje de rotación del giróscopo es visto por un observador sobre la Tierra, observaría un movimiento aparente de rotación que es
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GEODESIA MARINA debido a la propia rotación de la Tierra sobre su eje. Sin embargo, si el eje del giróscopo está en la dirección de giro de la Tierra (en dirección a la estrella polar), no se produce el movimiento aparente. También existen giróscopos electrónicos, que emplean el efecto de aceleración Coriolis.
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GEODESIA MARINA BIBLIOGRAFIA
El océano y sus recursos VIII. El aprovechamiento de los recursos del mar. Juan Luis Cifuentes Lemus, Pilar Torres-García / Marcela Frías.
Cartografía Submarina. Universidad Politécnica de Madrid – Escuela de Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Caballero S, Juan A – 97070.
Notas de Clases de Geodesia Marina. Universidad del Zulia – Escuela de Ingeniería Geodésica. Barrios, Manaure – Primer Periodo 2012.
Paginas web visitadas: -
http://ocw.upm.es/ingenieria-cartografica-geodesica-yfotogrametria/topografia-ii/Teoria_Batimetria_Tema_13.pdf
-
http://www.fing.luz.edu.ve/index.php?option=com_content&task=view&id= 139&Itemid=171
-
http://www.iag.csic.es/museo/docs/historia_geodesia.pdf
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