Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ingeniería Ingeniería Topográfica y Geodésica Desarrollo de Habilidades en el uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación GEODESIA SATELITAL Profesora: Pérez-Yáñez Gabriela Integrantes: Cuatlehua Cedeño Eduardo Cruz Morales Alfredo Guzmán Castro Alex Iván Torres Soto Laura Jimena Torres Sánchez Diana Laura Otoño 2013
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RESUMEN: La Geodesia Satelital es una importante tecnología de posicionamiento de puntos de control terrestre geodésicos que permite a través del uso de sistemas GPS, establecer redes de apoyo topográficas debidamente geor eferenciadas. Hoy en día el uso de un sistema de geoposicionamiento global nos permite un mejor desplazamiento sobre la superficie global. Con el rápido aumento de la tecnología industrial después de la Segunda Guerra Mundial hubo la necesidad de mejorar la información geodésica. Las principales encuestas y técnicas de posicionamiento eran todavía laboriosas y difíciles, así como peligrosas, en las partes más inaccesibles del mundo. Había una necesidad de integrar las encuestas a nivel mundial para relacionar los principales puntos de referencia de los diferentes continentes. La La geodesia es una de las ciencias más antiguas cultivada por el hombre. Su objetivo es el estudio y determinación de la forma la forma y dimensiones de la Tierra, Tierra , de su campo de gravedad, y sus variaciones temporales. El GPS tiene una variedad de aplicaciones en tierra, en el mar y en el aire. Básicamente, el GPS se puede utilizar en todas partes menos donde es imposible recibir la señal como el interior de la mayoría de los edificios, en las cuevas y otros lugares subterráneos y submarinos. Las aplicaciones ap licaciones más comunes son el aire para la navegación por la aviación general y de aviones comerciales. En el mar, el GPS también se utiliza normalmente para la navegación en embarcaciones de recreo, los pescadores comerciales, y marineros profesionales. Aplicaciones terrestres son más diversos. La comunidad científica utiliza el GPS para su capacidad de tiempo de precisión y la información de la posición.
GEODESIA SATELITAL INTRODUCCIÓN La Geodesia Satelital es una importante tecnología de posicionamiento de puntos de control terrestre geodésicos que permite a través del uso de sistemas GPS, establecer redes de apoyo topográficas debidamente deb idamente georeferenciadas y hoy en día hasta los levantamientos topográficos mismos de aplicación directa en proyectos y obras de Ingeniería, con exactitudes milimétricas, que garantizan altos niveles de precisión y rendimiento. El procesamiento de estas observaciones ob servaciones satelitales puede ser realizado con un software de post-proceso, ya sea en campo o en gabinete, sin embargo, ahora este cálculo puede ser en forma inmediata por la unidad de control, obteniendo las coordenadas en el instante, es decir, en tiempo real. Además el post2
proceso, permite mediante el uso de software especializados el dibujo automatizado de mapas o planos topográficos y /o temáticos.
JUSTIFICACIÓN Hoy en día el uso de un sistema de geoposicionamiento global nos permite un mejor desplazamiento sobre la superficie global; además de ser de gran relevancia en el momento de realizar levantamientos topográficos. Los ingresos que genera una empresa través de la implementación de dispositivos GPS en automóviles, teléfonos inteligentes o tablets son caro ejemplo de l desarrollo que la Geodesia Satelital ha tenido en nuestra vida cotidiana; y a su vez, son ejemplo también del buen uso de las tecnologías de la información y la comunicación.
OBJETIVOS Desarrollar un tema de investigación bien sustentado; permitiendo así, tener un conocimiento más amplio del tema, así como un mayor domino, puesto que es de vital importancia en nuestra carrera.
1.
HISTORIA DE LA GEODESIA SATELITAL
“Con el rápido aumento de la tecnología industrial después de la Segunda Guerra
Mundial hubo la necesidad de mejorar la información geodésica. Las principales encuestas y técnicas de posicionamiento eran todavía laboriosas y difíciles, así como peligrosas, en las partes más inaccesibles del mundo ”. (Smith, 138) Había una necesidad de integrar las encuestas a nivel mundial para relacionar los principales puntos de referencia de los diferentes continentes. Técnicas de estudio tradicionales no eran suficientes sin la inyección de un nuevo enfoque. Los desarrollos de cohetes durante la guerra permitieron el estímulo requerido.
1.1 ANTECEDENTES MUNDIALES El primer Sputnik fue lanzado desde Rusia el 4 de octubre de 1957. Pesaba 184 libras (83 kg), fue accionado por baterías químicas ordinarias, y emitió señales de radio tan sólo por 3 semanas. Con una altura orbital de 360 millas (576 kilómetros), orbitaba en 96,2 minutos. La órbita era elíptica, que variaba de 136 millas (216 km) a 585 millas (1136 km), pero la resistencia del aire y la gravedad disminuyeron rápidamente estos valores de manera que sólo completó 1.400 órbitas en una vida útil de 92 días. A pesar de que no tenía instrumentación científica experimental a bordo, representó el paso adelante que la ciencia había estado esperando. 3
El segundo Sputnik, lanzado un mes más tarde, se prolongó durante casi 2.400 órbitas y tenía una instrumentación básica para la recolección de datos. Estados Unidos entró en la carrera espacial en febrero de 1958 con el Explorer I, estaba en una órbita más alta que Sputnik, variando de 222 millas (355 km.) a 1.593 millas (2551 kilómetros) y como resultado tuvo una vida de 4 años. “Desde el punto de vista geodésico era Vanguard de Estados Unidos que lanzó en
marzo de 1958 con una órbita aún más alto, variando de 410 millas (656 km) a 2.468 millas (3950 kilometros), y la duración estimada de los 100 años que hizo el mayor contribución significativa.” (
2. VINCULACIÓN CON EL GPS La La geodesia es una de las ciencias más antiguas cultivada por el hombre. Su objetivo es el estudio y determinación de la forma la forma y dimensiones de la Tierra, Tierra , de su campo de gravedad, y sus variaciones temporales. Se trata de una ciencia fundamentada en la física y en las matemáticas, cuyos resultados constituyen la base la base geométrica para otras ramas del conocimiento del conocimiento geográfico. La geodesia es básica en la determinación de la posición de los puntos en la superficie de la Tierra y una de sus mayores utilidades, desde un punto de vista práctico, es que mediante sus técnicas es posible representar cartográficamente territorios muy extensos.
2.1 UTILIZACIÓN UTILIZACIÓN DEL GPS (MÉTODO DE TRIANGULACIÓN) El método de triangulación es la mejor forma en la que trabaja el GPS, este conlleva una serie de pasos, que podríamos imaginar muy complicados; pero realmente se puede resumir en los 5 siguientes pasos:
TRIANGULACIÓN DESDE LOS SATÉLITES:
Nuestra posición se calcula en base a la medición de las distancias a los satélites Matemáticamente se necesitan cuatro mediciones de distancia a los los satélites para determinar la posición exacta En la práctica se resuelve nuestra posición con solo tres mediciones si podemos descartar respuestas ridículas o utilizamos ciertos trucos. 4
Se requiere de todos modos una cuarta medición medición por razones técnicas que luego veremos.
MIDIENDO LA DISTANCIA
La distancia al satélite satélite se determina midiendo midiendo el tiempo que tarda una señal de radio, emitida por el mismo, en alcanzar nuestro receptor de GPS. Para efectuar efectuar dicha medición asumimos que ambos, nuestro receptor GPS y el satélite, están generando el mismo Código Pseudo Aleatorio en exactamente el mismo momento. Comparando cuanto retardo existe entre la llegada del Código Pseudo Aleatorio proveniente del satélite y la generación del código de nuestro receptor de GPS, podemos determinar cuánto tiempo le llevó a dicha señal llegar hasta nosotros. Multiplicamos dicho tiempo de viaje por la velocidad de la luz y obtenemos la distancia al satélite.
CONTROL PERFECTO DEL TIEMPO
Un tiempo tiempo muy preciso es clave para medir la la distancia distancia a los satélites Los satélites satélites son exactos porque llevan un reloj reloj atómico a bordo. Los relojes de los receptores GPS no necesitan ser tan exactos porque la medición de un rango a un satélite adicional permite corregir los errores de medición.
CONOCER DONDE SE ENCUENTRAN LOS SATELITES
Para utilizar los satélites como puntos de referencia debemos conocer exactamente donde están en cada momento. Los satélites de GPS se ubican a tal altura que sus órbitas son muy predecibles. El Departamento de Defensa controla y mide variaciones menores en sus órbitas. La información sobre errores es enviada a los satélites satélites para que estos a su vez retransmitan su posición corregida junto con sus señales de tiempo.
CORRECCIÓN DE ERRORES
La ionosfera y la troposfera causan demoras en la señal de GPS que se traducen en errores de posicionamiento. Algunos errores se pueden pueden corregir mediante modelación y correcciones matemáticas. La configuración de los satélites en el cielo puede magnificar magnificar otros errores 5
El GPS Diferencial puede eliminar casi todos los errores
3. APLICACIONES DE LA GEODESIA SATELITAL
El GPS tiene una variedad de aplicaciones en tierra, en el mar y en el aire. Básicamente, el GPS se puede utilizar en todas partes menos donde es imposible recibir la señal como el interior de la mayoría de los edificios, en las cuevas y otros lugares subterráneos y submarinos. Las aplicaciones ap licaciones más comunes son el aire para la navegación por la aviación general y de aviones comerciales. En el mar, el GPS también se utiliza normalmente para la navegación en embarcaciones de recreo, los pescadores comerciales, y marineros profesionales. Aplicaciones terrestres son más diversos. La comunidad científica utiliza el GPS para su capacidad de tiempo de precisión y la información de la posición. Los topógrafos utilizan GPS para una parte creciente de su trabajo. GPS ofrece un ahorro de costes al reducir drásticamente el tiempo de instalación en el lugar de estudio y proporcionar una precisión increíble. Unidades básicas de la encuesta, que cuestan miles de dólares, puede ofrecer una precisión hasta un metro. Los sistemas más caros están disponibles que puede proporcionar una precisión de un centímetro. Todo el proceso de determinación de posiciones geodésicas está intrínsecamente ligado con la forma y dimensiones de la Tierra, por lo tanto el problema de la determinación de la figura de la Tierra no es puramente teórico sino que tiene una proyección práctica en lo referente al cálculo de coordenadas de puntos y a la resolución de problemas geométricos sobre su superficie.
3.1 EN LA CONSTRUCCIÓN Se abordará una explicación sobre cómo se aplica la geodesia satelital a base de métodos en la construcción. Se presentará conocimiento acerca la hoja de datos del GPS, así como también se tomara en cuenta la geodesia espacial, esta ciencia se usa directamente en satélites artificiales, daremos a conocer de igual forma puntos en las consideraciones generales como; longitud de líneas, estaciones de referencia temporales, comprobación de los puntos observados, observaciones diurnas y nocturnas mejores tiempos de observación y consideraciones de la transformación a coordenadas locales. Para obtener un buen proceso de datos es necesario tener en cuenta lo siguiente; -MASCARA DE REFRACCIÓN: 6
Se emplea una máscara de refracción, para que el receptor no adquiera información de satélites por debajo de una determinada altura sobre el horizonte. La recepción por debajo de 15° por encima del horizonte está muy afectada por la refracción atmosférica. Como consecuencia hay que planear la observación teniendo en cuenta la máscara de refracción, pero per o hay que tener cuidado, si se pierden pierde n satélites, puede que no obtengamos resultados coherentes con los planeados. –MODELO IONOSFERICO:
Solo afecta al cálculo de líneas bases de d e más de 20 km, se usa u sa un modelo empírico, basado en el estudio del comportamiento de la Ionosfera, tomando en cuenta el ángulo solar. Se aplican correcciones a todas las observacione s de fase, que varían con el ángulo horario solar y con la elevación del satélite recibido. Un modelo Ionosferico incorrecto introduce un error de factor de escala en las bases calculadas. La información Usada en el proceso suele ser, que para obtener la máxima pr ecisión posible, es usar información de Medida de Código y Fase, para cálculos rápidos de líneas bases, cuando no se necesite precisión basta con usar información de solo Código. Para líneas bases de más de 100km, el proceso de observaciones de solo Código puede dar resultados con precisiones muy buenas. Si las medidas de código se rompen por algún motivo, deberemos procesar con solo medidas de Fase. Para obtener resultados precisos con información cinemática, se debe procesar con código y fase, las solas medidas de fase son buenas, pero las medidas de código sirven como comprobante y seguridad en caso de d e que se haya perdido la cuenta de ciclos. La Estrategia de cálculo nos dice, que antes de comenzar el proceso de cálculo hay que considerar cual es la mejor forma de calcular la red. Hay Ha y que juzgar aspectos; obtención de coordenadas WGS-84 de un punto, conexión con el Datum local, Calculo de las estaciones de referencia y distinción entre líneas bases largas y cortas. Hay que enlazar el punto WGS-84 con las Referencias. Después calcular la red de Referencias. También es interesante, al iniciar el cálculo, conectar con los puntos conocidos en el Datum Local.
3.2 EN LAS COMUNICACIONES Y TRANSPORTES APLICACIÓN MARÍTIMA Actualmente los sistemas de posicionamiento por satélite gozan ya de una aceptación generalizada dentro del sector marítimo. A medida que crece el mercado surgen necesidades específicas (mejora de la precisión, garantía de la continuidad, disponibilidad de la señal o cobertura global) en diferentes campos de aplicación, como puede ser la navegación en mar abierto o las aproximaciones a costa o puerto. Dado que las aplicaciones relacionadas con la navegación marítima implican la seguridad de los pasajeros y la tripulación, se requieren sistemas que garanticen el 7
máximo el grado de precisión, integridad, continuidad y fiabilidad. Teniendo en cuenta estos requisitos, los sistemas de navegación por satélite existentes (GPS y GLONASS) presentan enormes limitaciones de cara a su aplicación. -Alta precisión en la navegación y la aproximación a puertos, canales, etc - Las aplicaciones y sistemas de control de flotas permitirán el control y seguimiento se guimiento de embarcaciones de pesca y barcos que transporten mercancías peligrosas. -Vigilancia de la tierra -Exploraciones sísmicas -Explotación de recursos marinos -Prospecciones oceanográficas
APLICACIÓN EN LA AVIACIÓN La aviación es uno de los sectores en los que se espera que incidan notablemente los sistemas de ayuda a la navegación por satélite propiciando una mejora del servicio y aumentando la seguridad. Estos sistemas de navegación se utilizarán en todas las fases del vuelo incluyendo el aterrizaje. Estos sistemas se espera que sucedan a los tradicionales Instrument Landing System (ILS) utilizados mundialmente.
OPERACIONES TERRESTRES: •
Control Geodésico.
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Replanteo de localizaciones.
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Apoyo a redes gravimétricas.
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Ubicación de señales de corrosión en tuberías
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Demarcación de zonas de seguridad.
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Operaciones catastrales
enterradas.
En cada una de estas actividades se examinan las exactitudes requeridas y las condiciones ambientales del trabajo, para analizar la posible optimización del GPS en cada caso. 8
EL GPS APLICADO AL AUTOMOVILISMO Las ventajas de estos sistemas inteligentes de navegación por carretera son muchas, por un lado nunca nos encontraremos perdidos ya que el sistema de localización indica el punto exacto donde nos encontramos. Por otra parte, frente a los tradicionales mapas de carretera, este sistema es más rápido y eficaz. El desarrollo de los sistemas de navegación y su aplicación a los automóviles motivará que en un futuro cercano el conductor pueda tener toda una red de información dentro de su vehículo, capaz de integrar distintos canales multimedia audio, vídeo, ordenador de viaje, televisión, teléfono GSM, Inte rnet, etcétera. Como prueba, los dispositivos de asistencia al conductor le advertirán del empleo de luces ante la proximidad de un túnel, de la peligrosidad de un tramo o de la necesidad de reducir su velocidad ante la cercanía de una curva o de un cruce.
CONCLUSIONES: El GPS y la GEODESIA SATELITAL nos han permitido mejorar nuestra calidad de vida al ser útiles en la implementación e innovación en métodos de comunicación y transporte para la sociedad; su estudio desde un punto de vista objetivo, permite la identificación de ventajas y posibles desventajas de su uso. La tecnología va de la mano con el hombre,
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BIBLIOGRAFÍA Smith, R. (1997). Introduction to Geodesy: The History and Concepts of Modern Geodesy. New York, NY: John Wiley & Sons, Inc. P. 138 – 139. Escalante M.G.(2009) APLICACIONES DE LOS SISTEMAS GPS Y DGPS, Recuperado el 11/11/2013 en http://www.oocities.org/es/mari0411ve/aplicacionesdelosgps.htm Fernández, E. (2008).Comparación en el posicionamiento global por el método analítico y por el método de pseudorangos. Memoria para obtener título de Licenciado en Ingeniería Topográfica y Geodésica, Facultad de Ingeniería, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México.
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