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GEODESIASISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL - G. P. SMg. Ricardo Ramiro Santos Rodrguez

C.U - 2013

CONCEPTOS BSICOS

Posicionamiento de un Punto Mvil

EQUIPO G. P. S.

EQUIPO MECANICO

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL G. P. SCuando el hombre hace su aparicin sobre la superficie de la Tierra, y empieza a recorrer ella, se hace preguntas como Donde estoy ? y A donde me dirijo ?De acuerdo a ello y para no perderse empieza a marcar sus senderos con hitos de piedra; pero ella funciona en longitudes reducidas. Que pasara con esta forma de marcar cuando la zona es lluviosa y/o caen huaycos granizos?Posteriormente el hombre empez a explorar los Ocanos y el problema se hace mas critico, ya que no haba lugar como colocar los hitos de piedra y/o hitos de referencia.

En este caso el nico ente con el que tenan que contar eran las Estrellas, apoyadas en ellas se llevaron a cabo la Navegacin Astronmica, pero con instrumentos que nos da una aproximacin de 1 (2,00 Km.),que cuando se tenia que encontrar un puerto de noche, no era suficiente ms aun cuando la zona estaba cubierta con una neblina baja.El Hombre Moderno con todo sus artefactos electrnicos a probado diversos sistemas, con el fin de resolver este problema de Precisin, planteado por los hombres primitivos; para lo cual apoyado en diferentes sistemas como: LORAN, DECCA; basado en la propagacin de las Ondas de Radio.En las Costas existen cadenas ejecutadas por estos sistemas, pero sus precisiones varia por la INTERFERENCIA y las Variaciones Geogrficas.

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El sistema TRANSIT- SAT-NAV , el cual se apoya en las visaciones a los Satlites, de rbitas bajas y que eran pocas , no soluciono el problema de fijar la Posicin de un Punto; ella se basaba en las mediciones Dopler de baja frecuencia; por lo cual los pequeos movimientos del Receptor causaron errores de posicin significativos.Debido a esto el DEPARTAMENTO DE DEFENSA de los Estados Unidos (DoD), se aboco al estudio de un nuevo sistema llamado G. P. S. ( SISTEMA GLOBAL DE POSICIONAMIENTO ),el cual cuenta con una Constelacin de Satlites (32), que se encuentran a una altitud de 20051 Km.; (seran como Estrellas Artificiales), las cuales se usaran para la Navegacin Area y/o Martima; habiendo invertido fuertes cantidades de dinero : SISTEMA DE DEFENSA.

Sistema impenetrable por Perturbaciones e Interferencias.Con el avance de la Tecnologa de los circuitos integrados, los Receptores GPS actuales; son pequeos y su costo va disminuyendo y se prev que en un futuro cercano cualquier persona podra contar con ella como si fuera un reloj. Este nuevo servicio incluso podra reemplazar al Telfono, de tal manera que en vez de tener una gua telefnica, se tendra una base de datos en la memoria de una computadora, en el cual se almacenara la localizacin exacta en el Sistema GPS, de todo ente y/o bien Es decir este Sistema se convertira en un nuevo SERVICIO PUBLICO.

De todo lo indicado se puede concluir en lo siguiente:El GPS, es un Sistema de Radio Posicionamiento Espacial desarrollado por el DoD.El GPS, utiliza Satlites y computadoras para calcular las Posiciones Precisas, Velocidades y Tiempo.La seal GPS, es Resistente a Interferencias.El GPS provee cobertura continua a todo el mundo y bajo cualquier condicin Meteorolgica.La Utilizacin de la Seal de GPS es Gratuita.Por lo tanto el SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL, puede llegar a convertirse en un SERVICIO PUBLICOQUE TRASMITE EL GPS PORTADORAS : Ondas encargadas de transportar la informacin. Provee el medio fsico para la transmisin de los cdigos y mensajes. CODIGOS DE DISTANCIA MENSAJES DE NAVEGACION y/o .EFEMERIDES TRASMITIDAS: Que contiene las efemrides precedida y correcciones al reloj del Satlite

COMPONENTES DEL GPS

COMPONENTE ESPACIAL : Constituido por la Constelacin de Satlites GPS.

COMPONENTE DE CONTROL : Constituido por las Estaciones para el seguimiento y control de los Satlites GPS

USUARIOS : Receptores diseados para procesar seales de GPS.

COMPONENTE ESPACIALCompuesto por 24 satlites activos y 3 de reserva; estos ocupan 6 planos orbitales espaciadas cada 60 e inclinadas a 55El periodo orbital es de 12 horas sidreos y se encuentran a una altura de 20051 Km. ( e < 0,001).Los satlites son identificados por el nmero de acuerdo a su orden de lanzamiento ( SV) segn sus Cdigos Seudo Aleatorios ( PRN)Cualquier lugar del planeta tiene una cobertura de 4 satlites simultneos por encima de los 15 de elevacinLos satlites GPS reciben y almacenan los parmetros orbitales trasmitidos por la Estacin de Control.Los satlites GPS trasmiten la informacin necesaria para que el usuario determine sus rbitas (Almanaque,Efemrides ).Los satlites poseen 2 relojes atmicos de Rubidio y 2 de Cesio.Sus fuentes de poder son paneles solares que estn siempre orientados perpendiculares al Sol.El costo de de cada satlite es de 53 millones (Bloque II y IIA, Rockwell) a 30 millones (Bloque IIR, Martn Marietta).Epoca inicial del GPS es el 5 de Enero de 1980 a 0 horas de TUC, la semana GPS se inicia a las 0h del Domingo Existen tres tipos diferentes de Satlites:BLOQUE I : Compuesto por 11 Satlites ( 1978 - 1985 ), vida til 4,5 aos ,inclinacin de 63; Desarrollo de SatlitesBLOQUE II : Compuesto por 21 Satlites y 3 auxiliares (1989), vida til 7,5 aos; Produccin de SatlitesBLOQUE IIR : Compuesto por 20 Satlites (1995),vida til 10 aos ; Satlites de RellenoEstos satlites envan cada 30 segundos los mensajes que contienen las Efemrides.La Seal L1 contiene : Cdigo P y el Cdigo C/ALa Seal L2 contiene : Cdigo P

COMPONENTE DE CONTROLSon Estaciones Terrestres que monitorean la Posicin de todos los satlites GPS, trasmiten las Efemrides actualizadas, el Error del Reloj, las Correcciones, Estado de los satlites etc.; esta compuesto por :Cinco estaciones de seguimiento ubicadas alrededor del mundo, que siguen a cada uno de los satlites.a) Isla Ascensin b) Isla Diego Garcac) Kwajalein d) Hawaie) Colorado Springs

Los datos monitoreados son remitidos y procesados por la Estacin de Control Maestro ( Falcon AFB, Colorado Springs, USA )La Estacin Maestra genera los mensajes de navegacin y los enva a los satlites, tambin puede maniobrar a los satlites.Monitoreo y Control del Sistema SatelitalDeterminacin del Tiempo del Sistema GPSPrediccin de las Efemrides Satelitales y el Comportamiento de los relojes SatelitalesActualizacin peridica del Mensaje de Navegacin para cada satlite17

SEGMENTO DEL USUARIOSon los Receptores del Usuario, que computan la Posicin del Usuario por Medio de la Seales Recibidas.Se debe observar Satlites que estn por encima de los 10Componentes de los Receptores :Antena : L1 y L2 : Detecta las Ondas ElectromagnticasProcesador ElectrnicoHardware y Software . Reloj PrecisoMemoria y Unidad Grabadora Teclado y PantallaPRINCIPIOS DE MEDICION DEL SISTEMA GPSLa posicin es calculada por medicin de distancias por lo menos a cuatro Satlites, cuyas posiciones son conocidas.Como resultado de ellas se generan cuatro esferasInterceptando tres esferas, se obtienen dos soluciones: - Una absurda por no estar sobre la superficie de la Tierra - La otra es la ubicacin del punto a ser ubicado.Por la interseccin de las cuatro esferas, se obtiene por lo tanto la ubicacin precisa del lugar , as como el Tiempo.

DILUCION GEOMETRICA DE PRECISIONBUENA GEOMETRIA

DILUCION DE LA PRECISION GEOMETRICAPrecisin en el Posicionamiento = GDOP*Precisin de la MedicinGEOMETRIAPOBREGDOP = 1 / VCOMO FUNCIONA EL GPS ?Los principios bsicos del GPS son realmente simples, an cuando el Sistema emplea equipos de ms alta tecnologa; para lo cual ella se puede efectuar en los pasos siguientes :Triangulacin desde los SatlitesMedicin de la distancia entre el Satlite y el PuntoMedicin del Tiempo de recorrido de la SealUbicacin del Satlite Errores de la Seal al cruzar la Ionosfera y la Atmsfera de la Tierra TRIANGULACION DESDE LOS SATELITESEl principio bsico detrs del GPS;es utilizar satlites como puntos de referencia para triangular nuestra posicin en algn lugar de la Tierra.La posicin se calcula a partir de distancias medidas de los SatlitesMatemticamente necesitamos cuatro mediciones para determinar la posicin exactaTres mediciones son suficientes si rechazamos las respuestas absurdasLa otra medicin es con el fin de corregir los errores introducidas por la sincronizacin imperfecta del relojMEDICION DE LA DISTANCIA ENTRE EL SATELITE Y EL PUNTOLa idea bsica de la medicin de la distancia a un Satlite es la ecuacin : Velocidad por Tiempo.El sistema GPS trabaja tomando el tiempo que se demora una seal de radio para alcanzarnos desde un satlite y luego calcular la distancia a partir de ese tiempo.El satlite y el Receptor estn generando el mismo cdigo Seudo-Aleatorio.Se determina el tiempo que tomo la seal en llegar, comparando cuanto ms tarde llego su cdigo Seudo-Aleatorio

COMO SE OBTIENE LA DISTANCIA?MEDICION DEL TIEMPO DE RECORRIDO DE LA SEALLa medicin precisa del tiempo es la clave para medir la distancia a los satlites.Los satlites son precisos porque llevan relojes atmicos.Los Receptores no poseen relojes perfectosPara eliminar el error en la medicin de la distancia, es necesario que se cuente con cuatro mediciones satelitles.La necesidad de la cuarta medicin afecta el diseo del ReceptorCODIGOSEl Cdigo Seudo-Aleatorio es una manera sin ambigedad de hacer coincidir una seal de satlite con una seal del Receptor,con el fin de medir el TiempoLos Cdigos son generados por los Satlites, usando un complicado juego de instrucciones que se repiten cada siete das.Para lo cual usan la misma frecuenciaEl Receptor genera un Cdigo igual al Satlite que esta sincronizado con ella. El Cdigo le da al DoD una forma de control Son una serie de pulsos elctricos con valores de +1 a -1, que modulan de modo Pseudo Aleatorio las Seales de Radio Frecuencia.

ONDAS DE RADIOLos Receptores de seales GPS pueden compararse con los Radios Receptores que reciben solo las Estaciones de Radio GPS.

Los Receptores de GPS estn pre-sintonizados para recibir las frecuencias GPS(similar a su estacin favorita)De all se extraen la informacin codificada en esas ondas

UBICACIN DEL SATELITECaractersticas de los satlites:Nombre NAVTARAltitud 20051 Km..Peso 860 Kg.Tamao 5,20 m ( Con paneles solares extendidos)Periodo Orbital 12 horas sidreos ( 11h 58m )Plano Orbital 55 con respecto al plano orbitalVida til 7,5 aosConstelacin 32 satlitesLos satlites al encontrarse a gran altura, presentan rbitas predecibles con precisin.La mayora de los Receptores poseen un Almanaque que les indica donde esta en el Firmamento cada satlite Los satlites estn constantemente monitoreados por el DoDComo pasan los satlites dos veces al da, por las Estaciones de Monitoreo; ellas miden en forma precisa su altitud, posicin y velocidad.Esto con el fin de eliminar los errores de las rbitasLos errores de las Efemrides,se deben fundamentalmente a las Atracciones Gravitacionales de la Luna y el Sol; as como por la presin de la radiacin solar sobre los Satlites Para calcular nuestra posicin aparte de la distancia, se necesita conocer en que lugar del espacio estn los satlites.

ERRORES DE LA SEAL AL CRUZAR LA IONOSFERA Y LA ATMOSFERALa Ionosfera y la Atmsfera de la Tierra causan retrasos en las seales GPS que puede traducirse en errores de posicinAlgunos de los errores pueden ser eliminados con matemticas y modelajeOtras fuentes de error son los relojes de satlites, nuestros receptores y la recepcin por Mltiple Trayecto (Multipath)Las configuraciones de los satlites en el Cielo, magnifican los errores en el sistema.ESTRUCTURA BASICA DE LAS SEALESFrecuencia Fundamental fo = 10,23 MHzPORTADORASL1 = 154*fo = 1575,42 MHz Long. De Onda = 0,19 mL2 = 120*fo = 1227,60 MHz Long. De Onda = 0,24 mCODIGOSC/A CODE = fo/10 = 1 MHz Long. = 293 mCdigo P = fo = 10 MHz Long. = 29,3 mLa portadora L1 modula ambos cdigos C/A y PLa portadora L2 modula solamente el cdigo P

AL CENTRO DE LA TIERRAH = (Ha + Hb ) / 2METODOS DE MEDICION1.- METODO ESTATICOEs el mtodo Clsico para las mediciones GeodsicasEl Receptor permanece por Sesiones prolongadas, en EstacionesLas Sesiones diarias depende de la disponibilidad de la ventana Satelital, de la Geometra de los satlites, la Precisin que se requiere en las mediciones y el Tiempo de traslado entre Estaciones.Usado en observaciones para estudios de Deformaciones Tectnicas, Deformaciones en obras de Ingeniera, Redes Geodsicas de Alta Precisin , Apoyo Terrestre para la Fotogrametria y Redes de grandes distancias. 2.- METODO CINEMATICO

Es el mtodo que tiene relacin con un Receptor en movimiento,uno fijo y otro en movimientoEl Receptor debe tener como mnimo conexin con cuatro satlites,si es menor se debe reinicializar.Al inicio de las observaciones se debe determinar de las AmbigedadesPara resolver las Ambigedades, se debe inicializar una Base conocida.En las ciudades y bosques no se dete utilizar este mtodo, por que se pierde el enganche con los Satlites ( Edificios, puentes o pasos a desnivel )Para finalizar los Receptores mviles deben regresar al punto de su inicializacin. 3.- METODO PSEUDO CINEMATICO

El mtodo es similar al Cinemtico en relacin a las Observaciones del Terreno y al Esttico en relacin al Post-procesamiento. Para resolver las Ambigedades, no se requiere inicializar una Base conocida; para lo cual se adiciona de 5 a 10 minutos en intervalos de una hora a las Observaciones.La antena puede ser ubicada fuera del vehculo y puede no registrar cuando esta en movimiento.Este mtodo de medicin esta limitado por las condiciones de traslado entre las estaciones, siendo recomendables para reas pequeas.La estacin Base debe estar ligado a una Estacin conocida y los otros receptores mviles observan grupos independientes.POST - PROCESAMIENTOCuando se requiere gran precisin en la obtencin de los valores de los Puntos G.P.S y las mediciones con que se efectuarn es del tipo Estatico (Un Receptor fijo en un Punto de Control y otro receptor Movil), se efecta con los datos de Campo el Post- Proceso; que viene a ser la obtencin de los Valores de esos puntos determinando para ello y eliminando las Ambiguedades y darnos de esa manera una mayor Precisin.Para lo cual es necesario contar con un Software acorde con la precisin a obtener; estos Software generalmente se venden con el Equipo G.P.S. Uno de ellos puede ser el PRISM y tambien de un programa que minimiza los errores ( Minimos cuadrados), por ejemplo el FILLNET de Ashtech.SOFTWARE PRISM de AshtechEste Software permite la realizacin de cualquier proyecto desde la Planificacin, pasando por la Transferencia de la informacin, clculo de coordenadas, ajuste de ellas, hasta la presentacin final en CAD; para lo cual tiene como mnimo los siguientes mdulos:PLANNINGMdulo de Planificacin de la Medicin GPS, es el Planeamiento del Trabajo del Terreno, para lo cual se debe tener en cuenta las Especificaciones de precisin y los Requerimientos considerando la red para el Ajuste, para lo cual se puede programar la sesin en funcin de la ventana Satelital y Geometra para un Optimo resultado.

TRANSFEREste mdulo permite la comunicacin entre los Receptores y el computador, es decir efecta la Transferencia automtica entre el Receptor - Computador de la Informacin recogida en el TerrenoPROCESSAqu se encuentra la parte central del Software, donde se puede realizar todo tipo de procesamiento de los datos GPS, dependiendo de la forma como se tomo la Informacin en el Terreno; es decir desde el Esttico hasta el de Tiempo Real.El cual implica: Indicar cual es la estacin de Control y sus CoordenadasRevisin de la Altura de la Antena de las EstacionesEditar los Parmetros de ProcesamientoEspecificar los vectores que se van a ProcesarRealizar el clculoObservar los Resultados.SURVEY DATABASEEs el modulo en el cual se tiene la base de Datos que permite almacenar y organizar los resultados para posterior usoADJUSTModulo de Ajuste mediante el cual se efecta el Ajuste de las redes GPS, en distintos Datum junto a un completo anlisis de las precisiones GPS / CADDEste es un mdulo CADD que permite la presentacin final de un Proyecto GPS en forma grfica, con generacin de Curvas de Nivel y modelo Digital del terrenoTOOLSEs el mdulo de Herramientas para manejar los archivos GPS, unin, separacin, cambio de formato, etcBIBLIOGRAFIASistema de Posicionamiento Global Universidad de Cantabria - EspaaSistema de Posicionamiento Global Geosistemas S.R.L - ArgentinaThe Orbits of GPS Satellites Richard B. LangleyGeodesia Bsica para GPS Richard B. LangleyGlobal Positioning System Registro Pblico de Minera ESTACIONES DE SEGUIMIENTO

ASCENSION

COLORADO SPRINGS

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HAWAI

KWAJALEIN

DIEGO GARCIA

DILUCION GEOMETRICA DE PRECISION ( GDOP)

Los valores de la Dilucin Geomtrica de Precisin, depende de la distribucin geomtrica de los satlites en el espacio.Mayor angulo entre los satelites es mejor

GDOP = (PDOP2 + TDOP2)

PDOP : Es la incertidumbre en la posicin debido a la ubicacin geomtrica de los satlites

TDOP : Es la incertidumbre en la posicin debido a la sincronizacin de los relojes.

El GDOP para ser confiable debe ser menor que 8

Hoja1MEDICION DEL CODIGOLos Receptores GPS son capaces de generaruna rplica de los cdigos generados en cadauno de los Satlites[ ]dTComparando ambos Cdigos,se puede computarel Tiempo de viaje de la Seal desde cadaSatlite a la Estacin

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Hoja1TIPOS DE RECEPTORESRECEPTORPRECISIONAPLICACINCodigo C/A( + / - ) 100 MNavegacin( + / - ) 1 - 5 M Dif.Navegacin Precisa, Hidrografia,SIGPosic.Diferencial en tiempo realCdigo P( + / - ) 10 - 20 MNavegacin Precisa, Hidrografia,SIG( + / - ) 0,5 - 2 M Dif.Posic.Diferencial en tiempo realL1 , C/A0,005 M +/- 1 ppmPosicionamiento Geodsico < 15/20 Km.Esttico, Cinemtico y/o RTKL1 , L2 ,C/A0,005 M +/- 1 ppmPosicionamiento GeodsicoCdigo PEsttico, Cinemtico y/o RTK

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