IMPORTANCIA DE LOS GPS EN LA INGENIERÍA CIVIL

INGENIERÍA CIVIL – MONOGRAFIAMONOGRAFIA-

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

MONOGRAFÍA “IMPORTANCIA DE LOS GPS EN

LA INGENÍERIA

CIVIL” AUTOR:

Anderson Ronaldo Carlos Giron ASESOR:

Ing. Carlos Mendoza Corpus

Curso: Tecnología De La Información Y Comunicación

FECHA:04/01/18

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA

CONTENIDO ÍNDICE DE IMÁGENES ............................................................................................................ ............................................................................................................ iii ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................. .................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN ................................................................. ....................................................................................................................... ...................................................... vi ABSTRACT................................................................................................................................ ................................................................................................................................ vii 1.

SISTEMA DE POSICIONAMIOENTO POSICIONAMIOENTO GLOBAL (GPS) .................................................. 1 1.1.

Segmento Espacial ........................................................... ........................................................................................................ ............................................. 1

1.1.1.

Señal de los Satélites ............................................................ ............................................................................................. ................................. 3

1.2.

Segmento de Control ......................................................... ..................................................................................................... ............................................ 4

1.3.

Segmento del Usuario .................................................................. ................................................................................................... ................................. 5

2.

EL PRIMER GPS ......................................................... ................................................................................................................. ........................................................ 6

3.

APLICACIONES APLICACIONES DE LOS GPS ......................................................... .......................................................................................... ................................. 8 3.1.

Estudio de Fenómenos Atmosféricos. ................................................................... ........................................................................... ........ 8

3.2.

Localización y Navegación en Regiones Inhóspitas. .................................................... 8

3.3.

Modelos Geológicos y Topográficos. ................................................................... ........................................................................... ........ 9

3.4.

Ingeniería Civil.................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 10

3.5.

Sistemas de Alarma Automática. ............................................................ ................................................................................ .................... 10

3.6.

Sincronización de Señales. ........................................................... .......................................................................................... ............................... 11

3.7.

Guiado de Disminuidos Físicos............................................................... .................................................................................. .................... 11

3.8.

Navegación y Control de Flotas de Vehículos. ........................................................... 12

3.9.

Sistemas de Aviación Civil. ......................................................... ........................................................................................ ............................... 12

3.10. 4.

Navegación Desasistida de Vehículos............................................................ .................................................................... ......... 13

LEVANTAMIENTO LEVANTAMIENTO TOPOGRAFICO TOPOGRAFICO CON GPS ........................................................... 14 4.1.

Principios Básicos De Funcionamiento.............................................................. ....................................................................... ......... 14

4.1.1.

La posición ............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 15

4.1.2.

Triangulación: la base del sistema.............................................................. ....................................................................... ......... 17

4.1.3.

Medición de las distancias............................................................... ................................................................................... .................... 18

4.1.4.

Obtención de un perfecto sincronismo ................................................................ 20

i

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 5.

POSICIÓN DE CADA SATÉLITE EN EL ESPACIO...................................................... 23 5.1.

Dilución De La Precisión Y Visibilidad............................................................. ...................................................................... ......... 24

5.2.

GPS Diferencial (Dgps) ............................................................... .............................................................................................. ............................... 24

5.3.

Observaciones De Campo ............................................................ ........................................................................................... ............................... 25

6.

MÉTODOS DE LEVANTAMIENTO LEVANTAMIENTO CON GPS ............................................................. 26 6.1.

Método Estático.......................................... Estático........................................................................................................... ................................................................. 26

6.2.

Método Estático Rápido ............................................................... .............................................................................................. ............................... 26

7.

GENERALIDADES GENERALIDADES SOBRE LOS SATELITES............................................................... 27

8.

PROGRAMACION PROGRAMACION DE EMICIONES RADIOLELECTRICAS RADIOLELECTRICAS ...................................... 32 8.1.

Ionosfera................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 32

8.2.

Troposfera ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 33

9.

SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO POSICIONAMIENTO GLOBAL POR SATELITE ............................... 34

10.

ERRORES DEPENDIENTES DE LA PROGRAMACIÓN PROGRAMACIÓN DE LA SEÑAL (GPS) ..... 35

10.1.

Refracción Ionosférica ............................................................. ............................................................................................ ............................... 35

10.2.

Refracción Troposférica ........................................................... .......................................................................................... ............................... 36

10.3.

Pérdidas de Ciclo .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 37

10.4.

Multipath o Multitrayectoria ............................................................... ................................................................................... .................... 38

11.

ERRORES DEPENDIENTES DEL RECEPTOR .......................................................... 39

11.1.

Estado de Reloj de Receptor ............................................................... ................................................................................... .................... 39

11.2.

Variación del Centro de Fase de la Antena ............................................................. 39

11.3.

Incertidumbre de Medidas................................................................... ....................................................................................... .................... 40

11.3.1. 11.4.

Otros Errores ......................................................... ................................................................................................... .......................................... 40 Limitaciones De Los GPS. .................................................................. ...................................................................................... .................... 41

GLOSARIO DE TÉRMINOS .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 42 ANEXOS.......................................................................................... ANEXOS..................................................................................................................................... ........................................... 43 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 61

ii


ÍNDICE DE IMÁGENES Ilustración 1:Constelación NVASTAR ........................................ .............................................................. .................................... .............. 2 Ilustración 2:Estacion de Monitoreo..................................... Monitoreo........................................................... ............................................ ...................... 4 Ilustración 3:Receptor GPS (Casanova) .......................................... ................................................................. ................................. .......... 5 Ilustración 4:Muestra del Modelo de J.W.Jones (Primer Satélite). ............................... .................................. ... 7 Ilustración 5: GPS En El Estudio Meteorológico. .......................................... ............................................................ .................. 8 Ilustración 6:Navegación Lugares Inhóspitos. ...................................................... ................................................................. ........... 9 Ilustración 7:Uso de GPS En La Topografía. .......................................... ................................................................. ........................... 9 Ilustración 8:GPS En La Ingeniería Civil ............................................ ................................................................... ........................... .... 10 Ilustración 9:Sistema de Alarmas con GPS ............................................. .................................................................... ....................... 10 Ilustración 10:Sincronización de Señales ............................................ ................................................................... ........................... .... 11 Ilustración 11:GPS Para la Guía de Disminuidos Físicos. ............................................. ............................................. 11 Ilustración 12:Navegación 12:Navegación y Control............................................ ................................................................... .................................. ........... 12 Ilustración 13:Usos en el Sistema de Aviación Civil .................................................... ...................................................... 13 Ilustración 14:Incorporación de Sistemas DGPS .......................................................... ............................................................ 13 Ilustración 15:Esfera con Centro en el Propio Satélite. .......................................... .................................................. ........ 16 Ilustración 16:Dos Esferas con Centro en Diferentes Satélites. ..................................... ..................................... 16 Ilustración 17:Tres Esferas con Centros en diferentes satélites. .................................... 17 Ilustración 18:Satelites NAVSTAR ............................................................... ............................................................................... ................ 18 Ilustración 19: Transmisión de Señal de radio. ..................................................... .............................................................. ......... 19 Ilustración 20:Serie de Impulsos Aleatorios............................................ .................................................................. ....................... 19 Ilustración 21:En base a dos Satélites, el Receptor GPS calcula su ubicación (punto X). .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................ ............................................. ........................... .... 21 Ilustración 22:Cálculo de posición incorrecta (punto XX), reloj del Receptor GPS desincronizado 1 segundo.......................................... ............................................................... ............................................ ............................... ......... 21 Ilustración 23:Ubicación del punto X con relojes sincronizados correctamente............ 22 Ilustración 24:Satelites Visibles en Factores Importantes. ............................................. ............................................. 24 iii

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA Ilustración 25:Observaciones de Campo con GPS. ............................................ ........................................................ ............ 25 Ilustración 26:Satélite SPUTNIK I ........................................... .................................................................. ...................................... ............... 28 Ilustración 27:Satelites de GPS Pasivos. ....................... ............................................. ............................................. ........................... .... 28 Ilustración 28:Satelites de GPS Activos. ......................................... ............................................................... ............................... ......... 29 Ilustración 29:Datum forma de un Geoide. ................................................ .................................................................... .................... 30 Ilustración 30:satelites de GPS sobre la Ionosfera y Troposfera. ................................... ................................... 33 Ilustración 31:Sistema Doppler (GPS) ............................................................... ........................................................................... ............ 34 Ilustración 32:Refracción a través de la Ionosfera. ................................................... ........................................................ ..... 36 Ilustración 33:Refracción a través de la Troposfera. .......................................... ...................................................... ............ 37 Ilustración 34:El efecto Multipath ............................................ ................................................................... ...................................... ............... 38 Ilustración 35:Antena GPS. ............................................... ..................................................................... ............................................ ........................ 39 Ilustración 36:Visibilidad de GPS sin obstáculos. ............................................. ......................................................... ............ 41 Ilustración 37: Objetos del Aire que pueden bloquear la señal de los GPS. .................. .................. 41

iv


ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1:Señales de los Satélites Para el Uso de GPS. ........................................... ...................................................... ........... 3 Tabla 2:Resumen de las Fuentes de Error en los GPS ........................................... ................................................... ........ 40 Tabla 3:Coordenadas Para Nuestro Dibujo en CAD. ................................. ..................................................... .................... 50

v


INTRODUCCIÓN El SPG o GPS (Sistema de Posicionamiento Global o Global Positioning System) es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros. Este capítulo describe como la tecnología GPS ha venido tomando importancia en nuestro país y siendo aplicada en el establecimiento de redes geodésicas en El Salvador y mostrando la situación actual de dicha tecnología, así como su importancia en la ejecución de proyectos de Ingeniería Civil, principalmente en el área de levantamiento y replanteo topográfico georreferenciado. georreferenciado. En el primer capítulo se presentan las bases teóricas necesarias para la ejecución del proyecto desarrollado; se presentan definiciones y explicaciones. También está la información del sistema de posicionamiento GPS orígenes y desarrollo, además de la forma en cómo se comunican los dispositivos receptores GPS, mediante el protocolo NMEA. Al igual que se encuentra la forma en que este proyecto puede ser exportado hacia otro sistema y no quedar aislado, este es el Protocolo MODBUS, que es una forma de comunicación entre dispositivos donde se encuentra la forma maestro-esclavo. Además, una explicación de la forma de comunicación inalámbrica que posee el proyecto, que es a base de telefonía celular y más específicamente: mensajitos de texto (SMS). Se encuentra la explicación y forma de configuración del software necesario para la comunicación entre un teléfono celular y el ordenador, este software es llamado GAMMU, el cual se utiliza para la extracción de los mensajitos para ser guardados en una base de datos dentro de un ordenador. Esta la parte de cómo son tratada la información que se ha recolectado del levantamiento topográfico, esto se realiza en el ordenador en base a un un programa programa implementado en lenguaje JAVA con características de programación programación de procesos residentes en memoria.

vi


ABSTRACT

The activities related to the topographic survey have been modified tremendously during the past decades by the incorporation of instruments of the latest technology among which we can mention the GPS and the Total Station.It is necessary to highlight that the most important feature in this modification is evident in the process of capture, storage, calculation and transmission of field data, as well as in the graphic representation of the same; this has resulted in the possibility of obtaining a product final with greater precision and speed. The use that the engineering professional makes of the topography has basically to do with the definition of boundaries and with the development of infrastructure projects such as urban planning, roads, bridges, hydraulic works, aqueducts, sewerage, irrigation and drainage, etc., so It is therefore necessary to incorporate into the topography courses the teaching of foundations and practices necessary for students to acquire these knowledge and develop the skills and abilities that allow them to instrumental handling of equipment such as GPS and the Total Station that make up nowadays n owadays the duo of instruments most used in topographic practice.

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1. SISTEMA DE POSICIONAMIOENTO GLOBAL (GPS) Es un sistema que hace uso de un conjunto de satélites ubicados en el espacio agrupados en forma de constelaciones. Actualmente se conocen las siguientes constelaciones: Navstar (Sistema de Navegación Navegación para Tiempo y Distancia ) “americano” y Galileo “europeo” (A

Ramírez & H Bardales, Setiembre 2012) lo definen como un sistema

de medición tridimensional que utiliza señales de radio que proporciona el sistema Navstar, esta constelación constelación está integrada integrada por satélites artificiales que orbitan la tierra en12 horas. Esto permite que durante las 24 horas estén visibles al menos 5 a 8 satélites desde cualquier punto del planeta. Los satélites Navstar, ver (Ilustración 1), orbita la tierra en 6 planos orbitales, de 4 satélites cada uno, a una altura aproximada de 20.200 Km. El NAVSTAR es utilizado por miles de usuarios civiles alrededor del mundo; el mismo fue diseñado, financiado, controlado y operado por el departamento departamento de defensa de Estados Unidos. Como sistema está integrado por tres segmentos: espacial, de control y el de usuario. 1.1. Segmento Espacial Según Dana P. H (1995, pág. 32) Está conformado por 24 satélites que giran en órbitas ubicadas aproximadamente a 20,200km cada 12 horas. El segmento espacial está diseñado de tal forma que se pueda contar con un mínimo de 4 satélites visibles por encima de un ángulo de elevación de 15º en cualquier punto de la superficie terrestre, durante las 24 horas del día. La experiencia ha demostrado que la mayor parte del tiempo hay por lo menos 5 satélites visibles por encima de los 15º, y muy a menudo hay 6 o 7 satélites visibles. Cada satélite GPS lleva a bordo varios relojes atómicos muy precisos. Estos relojes operan en una frecuencia de fundamental de 10.23MHz, la cual se emplea para generar las las señales transmitidas transmitidas por el satélite.

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INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA Los satélites transmiten constantemente en dos ondas portadoras. Estas ondas portadoras se encuentran en la banda L (utilizada para transmisiones de radio) y viajan a la Tierra a la velocidad de la luz. Dichas ondas portadoras se derivan de la frecuencia fundamental, generada por un reloj atómico muy preciso. 

La portadora L1 es transmitida a 1575.42 MHz (10.23 x 154)



La portadora L2 es transmitida a 1227.60 MHz (10.23 x 120)

La portadora L1 es modulada por dos códigos. El Código C/A o Código de Adquisición Gruesa modula a 1.023MHz (10.23/10) y el código (P) o Código de Precisión modula a 10.23MHz. L2 es modulada por un código solamente. El código P en L2 modula a 10.23 MHz. Los receptores GPS utilizan los diferentes códigos para distinguir los l os satélites. Los códigos también pueden ser empleados como base para realizar las mediciones de pseudodistancia pseudodistancia y a partir de ahí, ahí, calcular una posición. La posición exacta de de los satélites es conocida durante las 24 horas del día y de cualquier posición del planeta; está información es emitida continuamente continuamente en forma de señales de navegación.

Ilustración 1:Constelación NVASTAR

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INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 1.1.1. Señal de los Satélites Cada satélite va provisto de un reloj-oscilador que provee una frecuencia fundamental sobre la que se estructura todo el conjunto de la señal radiodifundida por el satélite. Los satélites poseen una serie de antenas emisoras que funcionan en la banda L del espectro electromagnético, electromagnético, que son las que recibiremos en nuestros receptores. El satélite emite información sobre dos movimientos ondulatorios que actúan como portadoras de códigos, la primera se denomina L1. La segunda se denomina L2. El poder utilizar las 2 frecuencias permite determinar por comparación de la diferencia de retardos, el retardo ionosférico, difícilmente predecible por otros sistemas. El primer código que envían es el llamado código C/A (coarse /adquisition) y ofrece precisiones que en la actualidad oscilan entre los 3m y los 10 m, y el segundo es el código P (precise) con precisiones métricas. Estos códigos son usados para posicionamientos absolutos, en navegación; y el tercero L2C de precisión similar al C/A. En cuanto al mensaje, éste consta de 1500 bits, correspondientes a 30 segundos. Está divido en 5 celdas. En cada celda encontramos información relativa a: Tabla 1:Señales de los Satélites Para el Uso de GPS.

CELDA 1

Parámetros de desfase del reloj y modelo del retardo Ionosférico y Troposférico.

CELDA 2-3

Efemérides de los satélites.

CELDA 4

Aplicaciones Militares.

CELDA 5

Almanaque.

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1.2. Segmento de Control Según MC Cormac, J (2008, pág. 160) Consiste en una estación de control maestro, 5 estaciones de observación y 4 antenas de tierra distribuidas entre 5 puntos muy cercanos cercanos al ecuador ecuador terrestre. El segmento de Control rastrea los satélites GPS, actualiza su posición orbital y calibra y sincroniza sus relojes. Otra función importante consiste en determinar la órbita de cada satélite y predecir su trayectoria para las las siguientes 24 horas. Esta información información es cargada a cada satélite y posteriormente transmitida desde allí. Esto permite al receptor GPS conocer la ubicación de cada satélite. Las señales de los satélites son leídas desde las estaciones: Ascensión, Diego García y Kwajalein. Estas mediciones son entonces enviadas a la Estación de Control Maestro en Colorado Springs, donde son procesadas para determinar cualquier error en cada satélite. La información es enviada a las cuatro estaciones de observación para posteriormente ser ser reenviadas nuevamente nuevamente a los los satélites. (Ver Ilustración 2)

Ilustración 2:Estacion de Monitoreo

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1.3. Segmento del Usuario De acuerdo a Ayala R. (2012, pág. 180) dice que: Está integrado por los receptores que captan las señales emitidas por los satélites y empleados para el posicionamiento estático o cinemático. En general general se conoce conoce como como receptor receptor GPS (Casanova, 2002) al instrumento que recibe y decodifica la señal del satélite calculando las coordenadas del punto deseado; es un equipo constituido (Ilustración 3), por una antena con preamplificador para capturar las señales emitidas por los satélites, canal de radio frecuencia, microprocesador para la reducción, almacenamiento almacenamiento y procesamiento de datos, oscilador de precisión para la generación de códigos pseudoaleatorios, pseudoaleatorios, fuente de energía eléctrica, interfase del usuario constituido por la pantalla, el teclado y por un dispositivo de almacenamiento almacenamiento de datos.

Ilustración 3:Receptor GPS (Casanova) (Casanova)

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2. EL PRIMER GPS Fue inventado por J W Jones en 1909 y se llamaba Jones Live Map y era el primer GPS de la historia. Bueno en realidad era una especie de tipo de GPS que iba unido al odómetro y hacia girar un disco de papel con una ruta entre dos ciudades. Cada disco de papel tenía una ruta diferente entre dos ciudades, marcando ríos, puentes y otras localizaciones de interés. El disco giraba a medida que el coche avanzaba, avanzaba, y una aguja señalaba la posición. Cada disco cubría 100 millas (160,9 km). Si una ruta era más larga, se precisaba de varios discos. En un folleto de 1910 llamado "The Jones Live Map – What What Happens Without It" (El Jones Live Map - Qué pasa sin él) se indicaba que el cachivache protegía al conductor del genio malvado de las carreteras, que siempre indica mal la dirección. Además, era más sencillo de usar que un mapa. Con todo, en la década de los 1920, cuando ya había mapas de todo el país y las carreteras estaban correctamente señalizadas, señalizadas, se dejó de producir el Jones Live Map. Afortunadamente, porque era un engorro, y jamás habría podido competir con los GPS que aparecerían más tarde, que estarían guiados por satélites. El primer sistema de navegación por satélites fue el Transit, un sistema desplegado por el ejército de Estados Unidos en los años 1960. Pero si nos referimos a los primeros dispositivos para nuestros automóviles, entonces Honda creó el primer sistema de navegación en 1983, culminándolo en 1990 para el Honda Legend Acura Legend. Desde entonces, el GPS se ha ido democratizando. Hasta el punto de que ya lo llevamos en nuestros bolsillos, incluidos de serie en nuestro smartphone, lo cual nos permite guiarnos en nuestros viajes a pie, rutas de senderismo senderismo y demás. demás. En breve puede que incluso nuestros zapatos lleven incorporado incorporado el GPS. Al menos es lo que ha anunciado GTX Corp. Los zapatos GPS Aetrex Navistar serán realizados bajo la licencia del fabricante fabricante de calzado Aetrex Worldwide, Worldwide, Inc., Inc., y serán distribuidos por Toes Tipp, un distribuidor con sede en Irlanda. Sus compradores potenciales podrían ser las las personas que sufren Alzheimer.

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INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA La tecnología GPS no ha hecho más que facilitar nuestra vida, aunque en ocasiones también le quita un poco de emoción al viaje: antes era hasta divertido perderse y avanzar por una ruta que nunca hubieras conocido de otro modo. Antes te sentías un poco Indiana Jones, ahora simplemente sigues las frías directrices directrices de una voz robótica. De vosotros, pues, dependerá desconectar eventualmente vuestro GPS, para viajar libre. En cualquier caso, se desaconseja seguir las directrices de vuestro GPS como si fuera la palabra revelada. Esa mansedumbre, en muchos usuarios de GPS, ha provocado no pocos percances. percances. Uno de los más extravagantes extravagantes fue la de una mujer de 67 años, llamada Sabine Moreau, del pueblo Haunault Erquelinnes, en Bélgica, que acabó conduciendo conduciendo 1.450 kilómetros en lugar de 150. Al parecer, su intención era desplazarse a la estación Norte de Bruselas, para buscar a un amigo. Su jornada terminó dos días después de conducir su automóvil por 1.450 kilómetros hasta la ciudad de Zagreb, en Croacia.

Ilustración 4:Muestra del Modelo de J.W.Jones (Primer Satélite).

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3. APLICACIONES DE LOS GPS “Son

múltiples los campos de aplicación de los sistemas de posicionamiento tanto

como sistemas de ayuda a la navegación, como en modelización espacio atmosférico y terrestre o aplicaciones con requerimientos de alta precisión en la medida del tiempo” (C Sanchez, 2008). A continuación, se detallan algunos de los campos civiles donde se utilizan en la actualidad sistemas GPS: 3.1. Estudio de Fenómenos Atmosféricos. Cuando la señal GPS atraviesa la troposfera el vapor de agua, principal causante de los distintos fenómenos meteorológicos, modifica su velocidad de propagación. propagación. El posterior análisis de la señal GPS es de gran utilidad en la elaboración de modelos de predicción meteorológica.

Ilustración 5: GPS En El Estudio Meteorológico. 3.2. Localización y Navegación en Regiones Inhóspitas. El sistema GPS se utiliza como ayuda en expediciones de investigación en regiones de difícil acceso y en escenarios caracterizados caracterizados por la ausencia de marcas u obstáculos. Un ejemplo son los sistemas guiados por GPS para profundizar en el el conocimiento de las regiones polares polares o desérticas. desérticas.

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Ilustración 6:Navegación Lugares Inhóspitos. 3.3. Modelos Geológicos y Topográficos. Los geólogos comenzaron a aplicar el sistema GPS en los 80 para estudiar el movimiento lento y constante de las placas tectónicas, para la predicción de terremotos en regiones geológicamente activas. En topografía, el sistema GPS constituye una herramienta básica y fundamental para realizar el levantamiento de terrenos y los inventarios forestales y agrarios.

Ilustración 7:Uso de GPS En La Topografía. Topografía.

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INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 3.4. Ingeniería Civil. En este campo se utiliza la alta precisión del sistema GPS para monitorizar en tiempo real las deformaciones de grandes estructuras metálicas o de cemento sometidas a cargas.

Ilustración 8:GPS En La Ingeniería Ingeniería Civil 3.5. Sistemas de Alarma Automática . Existen sistemas de alarma conectados a sensores dotados de un receptor GPS para supervisión supervisión del transporte de mercancías tanto tanto contaminantes de de alto riesgo como perecederas (productos alimentarios frescos y congelados). En este caso la generación de una alarma permite una rápida asistencia al vehículo. v ehículo.

Ilustración 9:Sistema de Alarmas con GPS

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INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 3.6. Sincronización de Señales. La industria eléctrica utiliza el GPS para sincronizar los relojes de sus estaciones monitoras a fin de localizar posibles fallos en el servicio eléctrico. La localización del origen del fallo se realiza por triangulación, conociendo el tiempo de ocurrencia desde tres estaciones con relojes sincronizados.

Ilustración 10:Sincronización de Señales

3.7. Guiado de Disminuidos Físicos. Se están desarrollando sistemas GPS para ayuda en la navegación de invidentes por la ciudad. En esta misma misma línea, la industria turística estudia estudia la incorporación del sistema de localización en guiado de visitas turísticas a fin de optimizar los recorridos entre los distintos lugares de una ruta.

Ilustración 11:GPS Para la Guía de Disminuidos Físicos.

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INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 3.8. Navegación y Control de Flotas de Vehículos. El sistema GPS se emplea en planificación de trayectorias tra yectorias y control de flotas de vehículos. La policía, los servicios de socorro (bomberos, ambulancias), las centrales de taxis, los servicios de mensajería, empresas empresas de reparto, etc. organizan sus tareas optimizando los recorridos de las flotas desde una estación central. Algunas compañías ferroviarias utilizan ya el sistema GPS para localizar sus trenes, máquinas locomotoras o vagones, supervisando el cumplimiento de las señalizaciones.

Ilustración 12:Navegación y Control 3.9. Sistemas de Aviación Civil. En 1983 el derribo del vuelo 007 de la compañía aérea coreana al invadir cielo soviético, por problemas de navegación, acentúo la necesidad de contar con la ayuda de un sistema preciso de localización en la navegación aérea. Hoy en día el sistema GPS se emplea en la aviación civil tanto en vuelos domésticos, transoceánicos, como en la operación de aterrizaje. La importancia del empleo de los GPS en este campo ha impulsado, como se verá en la siguiente sección, el desarrollo en Europa, Estados Unidos y Japón de sistemas orientados a mejorar la precisión de los GPS.

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Ilustración 13:Usos en el Sistema de Aviación Civil

3.10.

Navegación Desasistida de Vehículos. Se están incorporando sistemas DGPS como ayuda en barcos para maniobrar de forma precisa en zonas de intenso tráfico, en vehículos autónomos terrestres que realizan su actividad en entornos abiertos en tareas repetitivas, de vigilancia en medios hostiles (fuego, granadas, contaminación contaminación de cualquier tipo) y en todos aquellos móviles que realizan transporte de carga, tanto en agricultura como en minería o construcción. La alta precisión de las medidas ha permitido importantes avances en el espacio en órbitas bajas y así tareas de alto riesgo de inspección, mantenimiento y ensamblaje de satélites artificiales pueden ahora realizarse mediante robots autónomos.

Ilustración 14:Incorporación de Sistemas DGPS DGPS

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4. LEVANTAMIENTO TOPOGRAFICO TOPOGRAFICO CON GPS “Las

actividades relacionadas al levantamiento topográfico han sido modificadas

tremendamente tremendamente durante las l as pasadas décadas por la incorporación de instrumentos de última tecnología entre los que se puede mencionar el GPS ”. (González Alcaraz, 2006). Es necesario resaltar que la característica de mayor importancia en esta modificación mo dificación se evidencia en el proceso de captura, almacenamiento, cálculo y transmisión de los datos de campo, así como en la representación gráfica de los mismos; esto ha traído como consecuencia la posibilidad de obtener un producto final con mayor precisión y rapidez. El uso que el profesional de la Ingeniería hace de la topografía tiene básicamente básicamente que ver con la definición de linderos y con con el desarrollo de proyectos de de infraestructura tales como urbanismos, carreteras, puentes, obras hidráulicas, alcantarillado, riego y drenaje, etc., por lo tanto se hace necesario incorporar a los cursos de Topografía la enseñanza de los fundamentos y prácticas necesarias para que los estudiantes adquieran estos conocimientos y desarrollen las habilidades y destrezas que les permitan el manejo instrumental de equipos como el GPS que es uno de los de instrumentos i nstrumentos más utilizados en la práctica topográfica moderna. (Ayala (A yala Ramirez, 2012) 4.1. Principios Básicos De Funcionamiento El sistema GPS funciona mediante unas señales de satélite codificadas que pueden ser procesadas en un receptor GPS permitiéndole calcular su posición, velocidad y tiempo.

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Se utilizan cuatro señales para el cálculo de posiciones en tres dimensiones y ajuste de reloj del receptor. Aunque los receptores GPS utilizan tecnología punta, los principios básicos de funcionamiento son sencillos y los podríamos resumir r esumir en los cuatro apartados siguientes. 4.1.1. La posición La situación de los satélites puede ser determinada de antemano por el receptor con la información del llamado almanaque (un conjunto de valores con cinco elementos orbitales), parámetros que son transmitidos por los propios satélites. La colección de los almanaques de toda la constelación se completa cada 12-20 minutos y se guarda en el receptor GPS. La información que es útil al receptor GPS (ubicado en el punto que queremos medir) para determinar su posición se llama ll ama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite (si debe o no ser considerado para la toma de la posición), su posición en el espacio, su hora atómica, información Doppler, etc. El receptor GPS utiliza la información enviada por los satélites (hora en la la que emitieron las señales, localización de los mismos) y trata de sincronizar su reloj interno con el reloj atómico que poseen los satélites. La sincronización es un proceso de prueba y error que en un receptor portátil ocurre una vez vez cada segundo. Una vez sincronizado el reloj, puede determinar su distancia hasta los satélites y utiliza esa información para calcular su posición en la ti tierra. erra. 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 (Ilustración ( Ilustración 15.)

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Ilustración 15:Esfera con Centro en el Propio Satélite.

Obteniendo información de dos satélites se nos indica que el receptor se encuentra sobre la circunferencia que resulta cuando se intersecan i ntersecan las dos esferas (Ilustración 16)

Ilustración 16:Dos Esferas con Centro en Diferentes Satélites.

Si adquirimos la misma información de un tercer satélite notamos que la nueva esfera sólo corta la circunferencia anterior en dos puntos (Ilustración 17) Uno de ellos se puede descartar porque ofrece una posición absurda (por fuera del globo terráqueo, sobre los satélites). De esta manera ya tendríamos la posición en 3D. Sin embargo, dado que el reloj que incorporan los receptores GPS no está sincronizado con los relojes 16

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA atómicos de los satélites GPS, los dos puntos determinados no son precisos.

Ilustración 17:Tres Esferas con Centros en diferentes satélites. Teniendo información de un cuarto satélite, eliminamos el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud). Al no estar sincronizados los relojes entre el receptor y los satélites, la intersección de las cuatro esferas con centro en estos satélites es un pequeño volumen en vez de ser un punto. La verdadera posición estaría dada al ajustar la hora del receptor de tal forma que este volumen se transforme en un punto. 4.1.2. Triangulación: la base del sistema El principio básico fundamental en el funcionamiento del sistema GPS, consiste en utilizar los satélites de la constelación NAVSTAR situados en distintas órbitas en el espacio, como puntos de referencia precisa para determinar nuestra posición en la superficie de la Tierra. Esto se consigue obteniendo una medición muy precisa de nuestra distancia hacia al menos tres satélites de la constelación, pudiéndose así realizar una "triangulación" que determine nuestra posición en el espacio.

17


Ilustración 18:Satelites NAVSTAR De todas formas, si quisiéramos ser absolutamente técnicos, la trigonometría nos dice que necesitamos las distancias a cuatro satélites para situarnos sin ambigüedad. ambigüedad. Pero en en la práctica tenemos suficiente suficiente con solo tres, si rechazamos rechazamos las soluciones absurdas. 4.1.3. Medición de las distancias

 = 

Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/seg en el vacío. Así, si podemos averiguar exactamente cuando recibimos esa señal de radio, podremos calcular cuanto tiempo ha empleado la señal en llegar hasta nosotros. Por lo tanto, solo nos falta multiplicar ese tiempo en segundos segundos por la velocidad de la luz (300.000 km/seg) y el resultado será la distancia al satélite.

18

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal de radio, consiste en averiguar exactamente cuando partió la señal del satélite. Para lograrlo se sincronizan los relojes de los satélites y de los receptores de manera que generen la misma señal exactamente a la misma hora. Por tanto, todo lo que hay que hacer es recibir la señal desde un satélite determinado y compararla con la señal generada en el receptor para calcular el desfase. La diferencia de fase será igual al tiempo que ha empleado la señal en llegar hasta el receptor.

Ilustración 19: Transmisión de Señal Señal de radio. La señal generada tanto en los satélites como en los receptores consiste en conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedad. De todas formas, los códigos son tan complicados que su aspecto es el de una larga serie de impulsos aleatorios.

Ilustración 20:Serie de Impulsos Aleatorios. Estos impulsos no son realmente aleatorios, sino que se trata de secuencias "pseudoaleatorias" "pseudoaleatorias" cuidadosamente elegidas que en verdad se repiten cada milisegundo. Por lo que se conocen con el nombre de código "pseudoaleatorio" "pseudoaleatorio" ( PRN,Pseudo Random Noise).

19


4.1.4. Obtención de un perfecto sincronismo Ya hemos comentado que la precisión y la exactitud en la medida de la distancia a los satélites son cruciales para el perfecto funcionamiento del GPS. Para ello, debemos disponer de relojes enormemente precisos, ya que una milésima de segundo a la velocidad de la luz puede suponer un error de 300 km. Para los satélites esto no supone un problema ya que cada uno de ellos dispone de un reloj atómico en uso como mínimo en su interior (cada uno lleva en su interior cuatro relojes de este tipo para asegurar que por lo menos menos uno funcione). Aunque su nombre nombre dé a entender que funciona con energía atómica, este reloj no utiliza este tipo de energía. Su nombre proviene del hecho que utiliza las oscilaciones de un átomo determinado como "metrónomo". Lamentablemente, dado el coste y el tamaño, es imposible disponer de un reloj atómico en un receptor GPS. Para solucionar este problema, los ingenieros que desarrollaron el GPS tuvieron la brillante idea de incluir (simular) un "reloj atómico" mediante la recepción de la señal de un satélite extra. La recepción de una señal extra permite que el receptor pueda calcular los errores producidos en la l a medición y comparación del tiempo y compensarlos, de ahí la necesidad de emplear cuatro satélites para satélites para la medición de nuestra posición, en lugar de tres como sería de esperar en un sistema tridimensional. Gracias a este "reloj atómico", los receptores pueden emplearse emplearse para algo algo más que el cálculo cálculo de posiciones. posiciones. La trigonometría permite hacer la afirmación de que si tres mediciones perfectas ubican un punto en el espacio cuatro mediciones imperfectas pueden eliminar cualquier desajuste de tiempo, tiempo, desde que ese desajuste sea consistente. Para explicar este principio se usa el siguiente racionamiento, suponiendo que el reloj del receptor no es perfecto como uno atómico si no que se adelanta un poco: si la del receptor está a una distancia equivalente a la recorrida por la luz en cuatro segundos desde el satélite “A”

y a seis segundos del satélite

“B”

en dos dimensiones éstas dos

distancias ubican a al receptor en un punto “X” que es donde realmente

20

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA estamos (Ilustración 21.) esa posición se obtendría con dos satélites perfectos.

Ilustración 21:En base a dos Satélites, el Receptor GPS calcula calcula su ubicación (punto X). Por otra parte, si el reloj del receptor esta adelantado un segundo, señalaría que el satélite “A” está a cinco segundos y el

“B”, a siete segundos, o sea,

que ubicarían el receptor en XX, distinto de X (Ilustración 22) y esa posición se aceptaría como perfecta perfecta puesto puesto que que no se sabría sabría que que el reloj del del receptor esta adelantado un segundo

Ilustración 22:Cálculo de posición incorrecta (punto XX), reloj del Receptor GPS desincronizado 1 segundo.

21

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA La diferencia entre los puntos “X” y “XX” es el error que nuestros relojes

imperfectos causan. Ahora bien, si tomamos la distancia desde un tercer satélite

“C”

y ese satélite está a una distancia de ocho segundos del

receptor considerando los relojes perfectos, la posición del receptor estaría en X en la (Ilustración 23).

Ilustración 23:Ubicación del punto X con con relojes sincronizados correctamente.

En un mundo perfecto nuestra medición del tiempo se vería como este. Más adelante veremos cómo se puede eliminar el error que se genera en los relojes receptores.

22


5. POSICIÓN DE CADA SATÉLITE EN EL ESPACIO Según Mejía M (2009, pág. 125) nos dice que: Como ya se ha mencionado, los satélites transmiten una serie de valores orbitales (almanaque), que proporcionan la situación de los satélites, definiendo su órbita alrededor de la l a tierra. Esta información es recibida por los receptores GPS con la cual se puede predecir para un momento dado la ubicación del satélite que envía la información. El Departamento de Defensa de los Estados Unidos realiza un control permanente de cada satélite, para lo cual tiene establecidas una serie de estaciones de control y para tal objetivo cada satélite pasa sobre cada una de las estaciones de control dos veces al día; de esta forma se puede determinar su altitud, posición y velocidad logrando determinar con esto los l os errores de “efemérides”, causados por la tracción lunar y solar y otros fenómenos

celestes; luego de realizar los ajustes correspondientes se transmite la información al satélite, que luego emite esas pequeños correcciones junto con la información de tiempo. Por tanto, los satélites no solo transmiten los códigos para medir el tiempo transcurrido sino también información sobre su estado de salud y posición orbital exacta (ver tabla 01)

23


5.1. Dilución De La Precisión Y Visibilidad La geometría de los satélites visibles es un factor importante a la hora de conseguir una buena precisión en el posicionamiento de un punto. Dicha geometría cambia con el tiempo como consecuencia del movimiento orbital de los satélites en el espacio (puesto que no son geoestacionarios). El factor que mide la bondad de esta geometría es el denominado factor de dilución de la precisión (DOP,Dilution Of Precision ). Precision ).

Ilustración 24:Satelites Visibles en Factores Importantes. Para evitar la oclusión de las señales, la DOP se calcula utilizando uti lizando los satélites que realmente son visibles. Los efectos combinados de la dilución de la precisión en posición posición y tiempo se denominan GDOP (Geometric Dilution Of Precision ), dilución ), dilución de la precisión geométrica. 5.2. GPS Diferencial (Dgps) El GPS Diferencial consigue eliminar la mayoría de los errores naturales y causados por el usuario que se infiltran en las mediciones normales con el GPS. Estos errores son pequeños, pero para conseguir el nivel de precisión requerido por algunos algunos trabajos de posicionamiento posicionamiento es necesario necesario minimizar todos todos los errores por pequeños que sean. sean. Para realizar esta tarea es necesario necesario tener dos receptores operando simultáneamente. El receptor de "referencia" permanece en su estación y supervisa continuamente los errores, y después transmite o registra las correcciones de esos errores con el fin de que el segundo receptor (receptor itinerante que realiza el trabajo de posicionamiento) pueda aplicar dichas correcciones a las mediciones que está realizando, r ealizando, bien sea conforme las realiza en tiempo real, o posteriormente. 24


Observaciones De Campo 5.3. Observaciones El sistema GPS presenta un conjunto de técnicas de localización con diversos niveles de precisión. Los procesos presentados a continuación se refieren exclusivamente a la utilización de las medidas de fases en las ondas portadoras emitidas por los satélites del sistema. El tratamiento de estas observaciones se efectúa obligatoriamente en método diferencial, de manera que se eliminen los "ruidos" sistemáticos relacionados con los satélites y receptores.

Ilustración 25:Observaciones de Campo con GPS.

25


6. MÉTODOS DE LEVANTAMIENTO CON GPS “Los topógrafos deberán utilizar por lo menos 2 receptores GPS (modo diferencial),

para una sesión de observación cuyo uno debe estar fijo en en todos todos los métodos. métodos. El CNR podrá proponer a los usuarios estaciones fijas con observaciones observaciones continuas ”. (Arancicbia C., 2012). 6.1. Método Estático Los receptores se quedan fijos sobre las respectivas r espectivas estaciones. estaciones. Es el método de posicionamiento clásico clásico de observación de medidas medidas de líneas base superior a 15 km con el máximo de precisión. La medición estática, ha sido durante años el soporte principal de GPS. Es la más sencilla pero la más lenta; por lo general se requiere de 1 a 2 horas de medición o más según la longitud de las líneas bases. A mayor distancia corresponde más tiempo de observación, la relación es directamente proporcional. 

Nota: Está técnica de medición no es recomendable recomendable para levantamientos topográficos, ya que sus usos son para Geodesia pura como por ejemplo la determinación de redes geodesia de alta precisión, el establecimiento de puntos de control, los estudios de deformación de volcanes, etc.

6.2. Método Estático Rápido Este método se utiliza cuando no se puede llevar a cabo el método estático rápido. Se puede utilizar solamente 4 satélites para cada una de las posiciones búsquedas. Con este tenemos una poca más flexibilidad que con el estático rápido, pero se tiene que observar cada punto una segunda vez con un intervalo de por lo menos una hora.

26


7. GENERALIDADES GENERALIDADES SOBRE LOS SATELITES Según Huerta E. (2005, pág. 148) nos dice que: En un Simposium científico celebrado en Toronto a finales de septiembre de 1957, se presentó la posibilidad de utilizar unos hipotéticos satélites artificiales con aplicaciones geodésicas. Esta idea se contempló desde el escepticismo y la ironía de los asistentes, dado lo absurdo de la idea en aquellas circunstancias de aquel año. Precisamente, aquel año, el 4 de octubre de 1957, la URSS pone en órbita el primer satélite artificial de la tierra: el SPUTNIK I. Desde aquel momento la Historia de la geodesia espacial comenzó. Desde ese momento se han lanzado más de 11.000 satélites artificiales, y los geodestas han sacado provecho, de todos los satélites, aunque no estuviese previsto la utilización de este satélite con fines geodésicos. Y decimos esto porque los geodestas han intentado sacar provecho de todo, porque pronto pudieron observar que, analizando la cuenta Doppler de las señales radio fundidas desde el Sputnik I y recibidas en estaciones de posición conocida, era posible establecer la órbita del satélite. Evidentemente esto se podía realizar a la inversa y obtener la posición del receptor, después de la recepción y análisis de las señales recibidas durante diferentes y suficiente paso del satélite. Este sistema no daba una precisión idónea, pero ponía de manifiesto la viabilidad de la aplicación.

27


Ilustración 26:Satélite SPUTNIK I

Existen dos tipos de satélites: pasivos y activos. 

Los pasivos no llevan ll evan ningún tipo de mecanismo para realizar emisiones propias; solo pueden reflejar energía que en ellos indica. En esta clase de satélites están los globos y los provistos de prismas refractarios como los Starlettes o Lageos.

Ilustración 27:Satelites de GPS Pasivos.

28




Los activos realizan emisiones de luz en pulsos de alta intensidad y breve duración, repetidores de microondas, transmisiones radioeléctricas continúas moduladas para observar cuenta Doppler o tiempos de transmisión, y transmisión de señales de tiempo generadas por osciladores o sciladores propios del satélite, etc. Además, también pueden llevar prismas retroflectores pasivos para devolver señales ópticas. Los satélites tienen un sistema de producción de energía, normalmente placas fotovoltaicas o paneles solares. Pueden disponer también de elementos para su control y, maniobra (combustible, motores, cohete, etc.).

Ilustración 28:Satelites de GPS Activos.



DATUM: Un datum está constituido por una superficie de referencia geométricamente definida, habitualmente un elipsoide, dado por la longitud, latitud, y altura, y un punto fundamental en el que la vertical del geoide y el elipsoide sean común. La altimetría se refiere al geoide como altura H. Es evidente que como el geoide es una superficie irregular, sólo coincidente con el elipsoide al menos en el punto fundamental del Datum elegido, habrá que tener en cuenta la separación del geoide y elipsoide, u ondulación del geoide. (Mejia Martinez, 2009)

29


Ilustración 29:Datum forma de un un Geoide. Estableciéndose la expresión h=N+H. Del sistema del satélite podemos obtener h, pero sin una buena carta del geoide no podremos conocer N ni calcular H que es el valor que necesitaremos para trabajar topográfica y geodésicamente. Desde el punto de vista de las coordenadas de los satélites no se complica demasiado el problema, pues solo hay que añadir a las fórmulas que daban su posición en el sistema inercial los parámetros de rotación terrestre antes mencionados; en cualquier caso, las coordenadas del satélite seguirán siendo variables en función del tiempo.

30

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA Desde este sistema de referencia podemos pasar a otros, como al elipsoide, por ejemplo, mediante un proceso matemático, obteniendo longitud, latitud y altura, una vez conocida la orientación y situación de la superficie de referencia definida por el datum. Si conocemos la altura del geoide N sobre el elipsoide, podremos manipular altitudes ortométricas sobre el geoide, que son las que queremos usar normalmente porque son directamente mensurable. mensurable.

31


8. PROGRAMACION PROGRAMACION DE EMICIONES RADIOLELECTRICAS Una onda electromagnética que provenga del espacio debe atravesar tres zonas características antes de alcanzar un receptor estacionado sobre la superficie terrestre: El vacío, la ionosfera y la troposfera. El retardo es el incremento que sufre el tiempo de propagación de una señal electromagnética electromagnética entre dos puntos al efectuarse el tránsito por un medio que no sea el vacío, en vez de hacerlo por el vacío. Se debe a dos factores: la velocidad de propagación es menor y la trayectoria aumenta su longitud al curvarse por refracción y ser envolvente de la recta que une los puntos origen y destino de la señal. 

Vacío. En el vacío, el retardo es inexistente, siendo el tiempo de propagación perfectamente determinable al al ser proporcional proporcional a la distancia en función función de la luz, sea cual sea la frecuencia de la onda considerada.

8.1. Ionosfera En la ionosfera, que está entre 100 y 1000 Km. de altitud, las radiaciones ultravioletas, solar y otras, ionizan una porción de las moléculas gaseosas liberando electrones. El número de electrones libres contenidos en un metro cúbico puede oscilar entre 1016 y 1019, según la radiación r adiación solar, la actividad de las manchas solares y otros fenómenos, como los geomagnéticos. geomagnéticos. El retardo es proporcional al número total de electrones libres encontrados por la señal en su camino y está en función del inverso del d el cuadrado de la frecuencia fr ecuencia de la onda, a igualdad de circunstancias. Varia para cada punto en concreto de recepción según su latitud, la dirección y el momento de observación. El retardo puede variar en el cenit entre 2 ns. y 50 ns. para frecuencias de la banda L, llegando hasta 2,5 el factor por inclinación de la trayectoria, y siendo hasta 5 veces mayor el efecto al mediodía que entre medianoche y el amanecer. Ver (Ilustración 30).

32


Existen modelos enviados los satélites. Para resolver el problema, en lo que se refiere a la recepción proveniente de un satélite, se emplea el artificio de utilizar dos frecuencias diferentes y razonablemente separadas dentro de la banda de trabajo. Como el retardo es proporcional a la longitud de onda, y por lo tanto distinto distint o para cada frecuencia, podremos observar observar un retardo diferencial diferencial entre ambos, ambos, tanto mayor mayor cuanto mayor mayor sea el retardo ionosférico sufrido, siendo por tanto éste deducible indirectamente, con una precisión ya aceptable. 8.2. Troposfera La última zona que se debe que se debe atravesar es la l a troposfera y otras regiones r egiones de atmosfera superior aun que lleguen a hasta 80 km/h, solo en 40 km más bajos causan retardos significativos. Este retardo equivale a incrementos de camino de orden de 1m en el cenit y hasta 30m a 5 grados de elevación.

Ilustración 30:satelites de GPS sobre la Ionosfera y Troposfera.

33


9. SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO GLOBAL POR SATELITE De acuerdo con (Huerta, Manguiatera, & Noguera, 2005 pag (148))los dividen divi den en: 

SLR (Satellite Laser Ranging). Es un sistema de medida directa de distancias por pulso laser a satélites provistos de prismas de reflexión total.



VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Es una técnica que permite calcular con precisión centimétrica la distancia entre los centros radioeléctricos de dos o más telescopios. Se observan cuásares extra galácticos en períodos simultáneos, comparándose interferométricamente las señales recibidas.



DOPPLER. Se basa en la medición de la variación de distancias satélites mediante la cuenta DOPPLER de la frecuencia f recuencia de las señales recibidas.



GPS. (Global Positioning System). Es un sistema que puede trabajar con medida directa de distancias, en sistema Doppler, o en medida de fase que veremos en capítulos siguientes. A diferencia de los l os otros sistemas, este es un sistema que tiene cobertura en cualquier parte del mundo y a cualquier hora, ya sea por el día o por la noche.

Ilustración 31:Sistema Doppler (GPS)

34


10. ERRORES DEPENDIENTES DE LA PROGRAMACIÓN DE LA SEÑAL (GPS) 10.1.

Refracción Ionosférica En el mundo real existen una serie de circunstancias que pueden hacer que la señal del satélite sea matemáticamente imperfecta. La Ionosfera es aquella región de la atmósfera comprendida entre 100 y 1000 Km de altitud, donde las radiaciones solares y otras radiaciones ionizan una porción de las las moléculas gaseosas gaseosas liberando liberando electrones, que que interfieren en la propagación de ondas de radio y en la velocidad de la señal GPS generando un error parecido al error de un mal reloj. Durante la noche la influencia ionosférica es mínima incrementándose en el día (Ilustración 32). El efecto en la precisión es de unos 10m los retrasos ionosféricos son menores en el cenit y aumentan cuando el ángulo de elevación disminuye (de ahí a la máscara de elevación en una observación). Pueden emplearse los métodos siguientes para corregir este retraso de señal; podría tomarse un promedio del efecto de reducción de la velocidad de la luz causada por la ionosfera y luego aplicar este factor de corrección a los cálculos pertinentes, aunque es de aclarar que esta condición promedio no ocurre todo el tiempo y el método no es la solución óptima. O también otro método que es el más recomendado y es el hecho de hacer uso de los receptores de “doble frecuencia”, con estos rece ptores se puede medir las

frecuencias L1 y L2 de la señal GPS. Ayudará también el hecho de incrementar la máscara de observación unos 15 grados que es lo normal. (Ayala Ramirez, 2012).

35

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA Es sabido que cuando una señal de radio viaja a través tr avés de la ionosfera, ésta reduce su velocidad en una relación inversamente proporcional a su frecuencia. Por lo tanto, si se comparan los tiempos de arribo de las dos señales, se puede estimar el retraso con precisión. Nótese que esto es posible únicamente con receptores GPS de doble frecuencia. La mayoría de receptores fabricados para la navegación son de una frecuencia.

Ilustración 32:Refracción a través de la Ionosfera.

10.2.

Refracción Troposférica La Troposfera es la primera capa sobre la superficie terrestre (hasta unos 80 Km, aunque sólo en los últimos 40 se producen retardos significativos), significativos), donde se produce retardo y donde las temperaturas decrecen con el incremento de altura. El espesor de la Troposfera no es el mismo en todas las zonas. La presencia de átomos y moléculas neutros en la Troposfera afecta a las señales de propagación electromagnética (Ilustración 33).

36


Ilustración 33:Refracción a través de la Troposfera. Se tiene conocimiento que la refracción troposférica puede causar un error de entre 1.9m a 2.5m en la dirección cenital y se incrementa cuando disminuye el ángulo, puede llegar a unos 20m o 28m (insistimos en lo necesario de una máscara de elevación en una observación). La refracción ionosférica y troposférica puede ser eliminada trabajando en modo diferencial, pero esto es sólo cierto para líneas base pequeñas, donde las medidas de distancias satélite-receptor se ven afectadas de igual forma por la refracción. refracción. 10.3.

Pérdidas de Ciclo Las pérdidas de ciclos suponen un salto en el registro de las medidas de fase, producido por alguna interrupción o pérdida de la señal enviada por el satélite. Estas pérdidas de ciclos pueden ser causadas por la obstrucción de la señal del satélite debido a la presencia de árboles, edificios, puentes, montañas, etc. Esta causa es la más frecuente, pero también pueden ser debidas a una baja SNR (calidad, señal y ruido) debido a unas malas condiciones ionosféricas, efecto multipath, receptores en movimiento o baja elevación elevación del satélite. Otra causa puede puede ser un fallo en en el software del receptor, que conduce a un procesamiento incorrecto de la señal. Una última causa de pérdida de ciclo, aunque suele darse en raras ocasiones, es aquella debida a un mal funcionamiento f uncionamiento del oscilador del satélite.

37


Una vez determinado el tamaño de la pérdida de ciclo, la reparación se hace corrigiendo a todas las observaciones de fase siguientes para este satélite y su portadora, según una cantidad fija. El software interno del receptor es capaz (in situ) de detectar y corregir las pérdidas de ciclo. 10.4.

Multipath o Multitrayectoria El efecto multipath o multicamino es causado principalmente por múltiples reflexiones de la señal emitida por el satélite en superficies cercanas al receptor. Estas señales reflejadas que se superponen a la señal directa dir ecta son siempre más largas ya que tienen un tiempo de propagación más largo y pueden distorsionar significativamente la amplitud y forma de la onda. Para poder reducir este error se deben elegir estaciones que estén libres de obstáculos como (edificios, vehículos, árboles, etc.), es decir, evitar las superficies reflectantes en las proximidades del receptor y por un apropiado diseño de la antena, como es la utilización de planos de tierra, que reducen las interferencias de señales con baja elevación o incluso con elevación negativa, que son las que provocan el multipath; en otras palabras, se intenta intenta reducir la intensidad intensidad de las señales señales secundarias secundarias y aislar a la señal directa (Ilustración 34). El efecto multipath puede llegar a provocar un error de hasta 1m.

Ilustración 34:El efecto Multipath

38


11. ERRORES DEPENDIENTES DEL RECEPTOR 11.1.

Estado de Reloj de Receptor En el momento en que el reloj del receptor recibe la señal del satélite se genera un desfase en el mismo con respecto a la escala de tiempo. Este error afectará a todas las medidas de “ pseudodistancias pseudodistancias ” (Ines, 2009) realizadas para cada época. Los errores en los osciladores de los receptores pueden ser eliminados trabajando con posicionamiento relativo por medidas de fase, planteando las ecuaciones de dobles diferencias. Los receptores geodésicos y topográficos minimizan el error pues poseen relojes de mayor precisión. (C Sanchez, 2008).

11.2.

Variación del Centro de Fase de la Antena Este error se genera cuando no coinciden el centro radioeléctrico o punto al que realmente llega la señal y el centro mecánico o físico, generando un error residual por excentricidad que puede ser de unos milímetros (Ilustración 35).

Ilustración 35:Antena GPS.

39


11.3.

Incertidumbre Incertidumbre de Medidas Se conoce así al error que en una medida electrónica determinada se genera de forma aleatoria (puede ser el ruido). El error aleatorio es aquel que representa la desviación con respecto a cero de las medidas hechas. Puede establecerse un error por esta causa de entre 1mm o 2mm en condiciones ideales (geometría satelital, actividad atmosférica y obstáculos). (C Sanchez, 2008).

11.3.1. Otros Errores Otros errores que podrían afectar un trabajo de medición con GPS podrían ser: 

Mal estacionamiento de la antena.



Inexperiencia en la manipulación de los equipos.



Desconocimiento de las coordenadas correctas de la estación, imprescindibles para la linealización de las relaciones de observación.



En la Tabla 02 se muestra un resumen de las fuentes de error en los GPS.

Tabla 2:Resumen de las Fuentes de Error en los GPS

Errores Típicos En Metros Por Satélite Nombre Del Error GPS Autónomo GPS Diferencial Reloj de los satélites 1.5 0 Errores de orbita 2.5 0 Ionosfera 5 0.4 Troposfera 0.5 0.2 Ruido del receptor 0.3 0.3 Multipath 0.6 0.6 SA 30 0 Precisión típica de la precisión Horizontal 15 1.3 Vertical 25 2.1 3-D 93 2.8

40

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 11.4.

Limitaciones De Los GPS. 

Visibilidad de la antena con al menos cuatro satélites.



Libre de obstáculos (edificios, árboles, líneas eléctricas, montañas, etc.).

 

No puede ser utilizado en interiores. interiores. Debido a estas limitaciones, en algunas aplicaciones topográficas se puede recomendar el uso de una estación total óptica o combinar ésta con un GPS.

Ilustración 36:Visibilidad de GPS sin obstáculos. obstáculos.

Ilustración 37: Objetos del Aire que pueden bloquear la señal de los GPS.

41


GLOSARIO DE TÉRMINOS

Almanaque Datos transmitidos por un satélite GPS los cuales

NVASTAR Serie de 24 satélites de navegación que completan

incluyen información de la órbita de todos los

el Sistema de posicionamiento global (Global

satélites, corrección de reloj y parámetros de

Positioning System, GPS). ............................... 2

retraso atmosférico. ....................................... 3

PSEUDODISTANCIAS DATUM

Distancias medias entre la antena de receptor GPS

Es utilizando. Sobre todo, si vamos a llevar

y el satélite ................................................... 39

nuestras coordenadas a un mapa, o del mapa al GPS ................... ..................... .................... 31 Es utilizando. Sobre todo, si vamos a llevar nuestras coordenadas a un mapa, o del mapa al GPS ................... ..................... .................... 29

SINCRONISMO

El sincronismo es muy importante para la presición y exactitud en la medida de la distancia a los satelites para el perfecto funcionamiento de los GPS.......................... . 20

GPS

SPUTNIK I

Sistema americano de navegación y localización

Fue el primer satélite artificial lanzado por la

mediante satélites. , 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,

Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. Desde

12, 14, 15, 16, 17, 20, 21, 23, 24, 25, 26, 28, 29,

entonces se han colocado en órbita miles de

33, 34, 35, 36, 39, 40, 41

satélites artificiales muchos de los cuales aún continuan en órbita alrededor de la Tierra. . 27 ...................... ...................... ..................... ..... 28

Multipath

Es un fenómeno de interferencia causado por señales GPS reflejadas en estructuras o superficies reflectoras las cuales, habiendo recorrido mayor distancia que la correcta, inducen errores de posición. .................. 38, 40

VLBI Es una tecnica que permite calcular con precicion centimetrica la distancia entre dos o mas GPS. ...................... ...................... ..................... ..... 34

42


ANEXOS AUTOCAD PLANO TOPOGRÁFICO (RUMBOS) PARTE I

1. Cargamos nuestro programa “AUTOCAD”

2. Luego, iniciamos el programa y damos click en donde nos dice “Start Drawing” o en el símbolo más que nos sale en la parte de arriba, lo cual significa “Comenzar dibujo”.

43


2.1. Por consiguiente, llegamos a la interfaz de “Autocad”

3. Escribimos en comando “UNITS”

44

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 4. Una vez activado el comando Unidades, hay que configurar las siguientes opciones:

4.1. En Primer lugar, hay que configurar la opción de los ángulos. De las 5 opciones disponibles, escoja la última, la que dice "Surveyor Units" o unidades de topografía en español.

45

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 4.2. Una vez configurado el tipo de ángulo, hay que escoger el tipo de precisión del rumbo que vamos a utilizar. Elegimos la tercera opción de la lista

4.3. Una vez escogemos la tercera opción de la Precisión, solo nos resta escoger la opción Metros (Meters) en la opción Insertion Scale del cuadro de unidades de preferencia.

46

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 5. Al final el cuadro debe de quedar configurado de esta manera. Una vez configurado de esta manera, solo nos resta darle "Ok" al cuadro y ya. Estamos listos para empezar a dibujar nuestro plano topográfico.

6. Para empezar a dibujar hay que dirigirnos a la parte superior y dar click en “Line” , para empezar empezar a dibujar.

47

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 6.1. Lo único que hay que hacer es activar el comando Line (abreviatura L)” y darle click a cualquier punto para iniciar.

7. Para dibujar un plano topográfico, necesitamos una distancia y un rumbo (Angulo). Hay que digitar los datos de la siguiente manera: En donde el símbolo "@" representa la distancia y el símbolo "<" los ángulos a usar (en este caso Rumbos). Al digitar los datos y darle Enter, automáticamente se digitará la línea tal como se ve en la siguiente imagen

48

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 8. Como podemos observar se forman las siguientes líneas tal como vamos escribiendo los comandos.

9. Si quiere estar seguro de que la línea lí nea que ha dibujado está bien construida, puede usar el comando Lista o "List" en Ingles (Abreviatura LS). Solo toque la línea lí nea que quiere indagar, sin activar ningún comando, y luego digite "ls" y dele Enter, y se abrirá el siguiente cuadro:

49


10. Digitamos los siguientes rumbos para obtener nuestro plano topográfico, como indicamos anteriormente. A medida que vayamos digitando cada lindero de la poligonal del terreno que estamos dibujando, iremos viendo el avance como en las siguientes imágenes: Tabla 3:Coordenadas Para Nuestro Dibujo en CAD. TRAMO

RUMBOS

RUMBO

DISTANCIA

1-2

S

83°

44'

55"

E

SE 83° 44' 55"

13,57

2-3

S

88°

45'

52"

E

SE 88° 45' 52"

34,06

3-4

S

66°

40'

20"

E

SE 66° 40' 20"

8,53

4-5

S

79°

56'

08"

E

SE 79° 56' 08"

11,39

5-6

N

56°

22'

07"

E

NE 56° 22' 07"

8,32

6-7

S

41°

34'

13"

E

SE 41° 34' 13"

20,59

7-8

S

37°

27'

07"

E

SE 37° 27' 07"

18,17

8-9

S

35°

00'

40"

E

SE 35° 00' 40"

10,07

9-10

S

43°

35'

45"

E

SE 43° 35' 45"

20,64

10-11

S

43°

48'

43"

E

SE 43°48' 43"

34,25

11-12

S

62°

08'

09"

W

SW 62° 08' 09"

57,95

12-13

S

56°

57'

16"

W

SW 56° 57' 16"

24,1

13-14

S

55°

47'

16"

W

SW 55° 47' 16"

79,75

14-15

S

52°

33'

04"

W

SW 52° 33' 04"

18,73

15-16

N

11°

08'

46"

W

NW 11° 08' 46"

31,32

16-17

N

02°

57'

20"

W

NW 02° 57' 20"

25,79

17-18

N

18°

08'

24"

W

NW 18° 08' 24"

17,37

18-19

N

00°

09'

50"

W

NW 00° 09' 50"

8,44

19-20

N

05°

20'

28"

W

NW 05° 20' 28"

28,29

20-21

N

14'

30°

49"

E

NE 14° 30' 49"

13,46

21-22

N

02°

06'

17"

E

NE 02° 06' 17"

5,78

22-23

N

13°

25'

29"

E

NE 13° 25' 29"

16,62

23-24

N

28°

05'

32"

E

NE 28° 05' 32"

11,44

24-1

N

29°

52'

04"

E

NE 29° 52' 04"

25,95

50

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 11. Como recomendación, recomendación, tratar de no interrumpir el comando una vez lo hayan iniciado, sino que traten de digitar de continuo desde la primera línea hasta la última. Esto les ayudara a que todo salga bien en el siguiente paso que daremos como es la creación de tablas de datos topográficos (Cuadros de Rumbos y Distancias) usando solo aplicaciones aplicaciones externas. Al final del ejercicio, cuando lleguemos al último segmento de la poligonal, solo escribimos la opción "C" de cerrar en la línea de comandos y automáticamente volverá al primer punto digitado. Aunque claro, esta opción solo aplica si no hemos interrumpido el comando desde que comenzamos, si lo hicimos, no hay que utilizarla.

12. Una vez hecho todo lo dicho anteriormente nos aparecerá el siguiente plano topográfico.

51


PARTE II Una de las cosas que han hecho a AutoCAD tan famoso, es su capacidad de adicionarle nuevas funciones que no vienen de fábrica. Por ejemplo, imaginemos que una persona con conocimientos de programación programación en el lenguaje l enguaje Lisp o Visual Basic quisiera crear un comando nuevo para usarlo en AutoCAD. El fácilmente podría realizar la programación y empaquetar dicho código en un archivo ejecutable solo en AutoCAD que recibe el nombre de Aplicación Externa. En este caso, utilizaremos dos aplicaciones Externas:

Aplicación Externa: LBL LINK:https://onedrive.live.com/?authkey= LINK:https://onedrive.live.c om/?authkey=%21ALSPbohIAzw %21ALSPbohIAzwN3gg&cid=06A6 N3gg&cid=06A6829B69 829B69 FB4170&id=6A6829B69FB4 FB4170&id=6A6829B69FB4170%21173&parId=6 170%21173&parId=6A6829B69FB A6829B69FB4170%21171&o= 4170%21171&o=One One Up

Aplicación Externa: TABP LINK:https://onedrive.live.com/?authkey= LINK:https://onedrive.live.c om/?authkey=%21AAJ5OI-yyu%21AAJ5OI-yyuZxOY&cid=06A6829B69FB41 ZxOY&cid=06A6829B69FB4170&id=6A6829B 70&id=6A6829B69FB4170%2117 69FB4170%21172&parId=6A682 2&parId=6A6829B6 9B6 9FB4170%21171&o=OneUp La Aplicación TABP sirve para poder extraer y dibujar automáticamente una tabla con los rumbos y distancias del dibujo topográfico que hemos dibujado. La Aplicación LBL sirve para etiquetar las líneas al ponerle automáticamente el texto con Rumbos y Distancias según la orientación de la Línea. 13. Descargamos la aplicación “LBL”

52

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 14. Descargamos la aplicación “TABP”

15. vez hemos descargado las aplicaciones desde OneDrive, y teniendo el archivo topográfico que hemos dibujado previamente, vamos a empezar. Buscamos en el listado de comandos la opción "Load Application". También puedes digitar la abreviatura del comando directam ente en la línea de comando: “appload”

53

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 16. Se nos abrirá el siguiente cuadro de dialogo, y buscamos nuestros archivos que descargamos descargamos anteriormente.

17. Una vez que los encontramos solo seleccionamos.

54


18. Y a continuación presionamos la opción que dice “Load”. Y para verificar que está bien nos fijamos en la parte parte inferior tiene que aparecer un mensaje mensaje que diga "tabp.LSP "tabp.LSP successfuly loaded”. Y simplemente le damos cerrar.

19. Si no aparece este cuadro, es que no hemos cargado nada. Pero si el mensaje aparece, entonces quiere decir que el comando está listo para ser utilizado, así que cerramos el cuadro de dialogo. 19.1.

Para ejecutar adecuadamente el comando, solo sigamos los siguientes

pasos:

55


Escala de dibujo: 1000 (Es la escala más proporcional a la realidad)

19.3.

Especificar norte <90d0'0.00">: <90d0'0.00">: Enter (El Norte ya viene a 90° de Fabrica)

19.4.

Ángulos en Acimuts : R (De Rumbos)

56


Precisión linear: 2 (Se refiere a la cantidad de ceros después de la medida

de una distancia)

19.6.

Precisión Área: 2 (Se refiere a la cantidad de ceros después de la medida

de un área)

19.7.

Valor inicial del mojón: 1 (Nunca iniciar ni con cero o letras porque el

comando no lo reconoce, solo empezar a enumerar los mojones con el numero 1)

57


Seleccione primer lado; seleccione líneas del polígono:-Select Objects:

(En este punto, lo que se necesita es tocar la línea del primer lindero dibujado).

(Nota: Al tocar la línea inicial, trate t rate de tocar lo más cerca posible del primer punto con el que hayamos iniciado el dibujo del plano topográfico)

19.9.

A continuación, nos pide seleccionar todas las líneas del polígono.

58


20. Después de seleccionar el polígono nos pide especificar un punto de inicio para la tabla.

59

INGENIERÍA CIVIL MONOGRAFÍA 21. Una vez confirmada la selección de las líneas lí neas de la poligonal, y haber especificado el punto de inicio de la tabla, solo falta falta realizar el último paso que es es "clickear "clickear un punto" en la pantalla para fijar una coordenada en el espacio de trabajo. Si la poligonal está bien cerrada y no interrumpimos el comando líneo al dibujar la poligonal topográfica, topográfica, entonces al dar "click" "click" para fijar el "Punto de Inicio de Tabla" Tabla" automáticamente automáticamente se etiquetarán los mojones de la poligonal y se dibujara la tabla tal como se ve en la siguiente imagen:

60


BIBLIOGRAFÍA

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IMPORTANCIA DE LOS GPS EN LA INGENIERÍA CIVIL

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