ELEMENTOS PARA EL DISEO E IMPLEMENTACION DE REDES CORS GPS y GNSS

Gua Tcnico-Descriptiva

JULIAN RICARDO RODRIGUEZ VALENCIA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA TOPOGRAFICA

BOGOTA

2007

ELEMENTOS PARA EL DISEO E IMPLEMENTACION DE REDES CORS GPS y GNSS

Gua Tcnico-Descriptiva

JULIAN RICARDO RODRIGUEZ VALENCIA

Trabajo de grado para optar el ttulo de Ingeniero Topogrfico

Director

INOCENCIO BAHAMON CALDERON Ingeniero Catastral y Geodesta

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA TOPOGRAFICA

BOGOTA

2007

Nota de Aceptacin

_________________________________

_________________________________

_________________________________

_________________________________ Director de la Tesis

_________________________________ Jurado

_________________________________

Jurado

Bogot, D.C, Marzo ___________________________________________

A Dios por la vida. A mis padres y hermano

por su comprensin, paciencia, nimo y apoyo incondicional

en los momentos difciles.

A todos los amigos y conocidos que han edificado mi carrera y han sido testigos del esfuerzo y dedicacin en pro

del beneficio acadmico, cientfico e institucional.

JULIAN RICARDO RODRIGUEZ VALENCIA

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa su agradecimiento a:

Ingeniero, Flix Pinto Rodrguez, Presidente Topoequipos S.A., por el apoyo aporte y paciencia en la formacin profesional, personal y sobre todo, por la visin. Ingeniero, Inocencio Bahamn Caldern, Decano Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales, por su decidida colaboracin durante toda la carrera y el desarrollo de esta tesis. Ingeniero, William Martnez, Jefe Geodesia, Instituto Geogrfico Agustn Codazzi, por sus aportes acadmicos y experiencia en pro del desarrollo y ejecucin del proyecto. Ingeniero, Guillermo lvarez, grupo Geodesia y Fotogrametra IGAC, por su asesora en aspectos tcnicos del proyecto. Ingeniero, Melquades Domnguez, Geodesta Instituto Geogrfico Tommy Guardia, Panam, por sus orientaciones y materiales facilitados. Ingeniero, Steve Briggs, CORS Networks and OEM Sales Manager Topcon Positioning System, por su asesora, experiencia y material tcnico en la ejecucin de este trabajo. Ingeniero, Dave Henderson Sales Manager Administrador Red CORS RTK, Midwest Supplies. Texas USA, por su asesora, experiencia y material tcnico-cientficos.

CONTENIDO

Pg.

LISTA DE TABLAS

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE ANEXOS

RESUMEN

INTRODUCCION 1

1. OBJETIVOS 3

2. DISEO METODOLGICO 5

3. CONCEPTOS BSICOS 6

3.1 GEODESIA 6

3.1.1 Sistema geodsico de referencia 7

3.1.2 Elipsoide de referencia 7

3.1.3 Geoide 8

3.1.4 Informacin geogrfica 9

3.1.5 Informacin georeferenciada 10

3.1.6 Levantamiento geodsico 10

3.2 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL 10

3.2.1 GPS (Global Positioning System) 10

3.2.2 GLONASS 13

3.2.3 GALILEO 14

3.2.4 GNSS 17

3.2.5 Sistema de Aumentacin Basado en Satlites (SBAS) 17

3.2.5.1 WASS 18

3.2.5.2 EGNOS 19

3.2.5.3 MSAS 21

3.2.5.4 COMPASS 21

3.3 SISTEMA DE REFERENCIA GEOCNTRICO PARA LAS

AMRICAS (SIRGAS) 22

3.3.1 MAGNA ECO 22

3.4 ESTACION PERMANENTE DE OPERACIN CONTINUA

(CORS) 23

4. EVOLUCIN HISTRICA DE REDES CORS GPS Y GNSS 24

5. TIPOS DE REDES EN FUNCIN DE LA APLICACIN. 27

5.1 REDES CON FINES GEODINMICOS 27

5.2 REDES CORS CON FINES GEODSICOS. 28

5.3 REDES CORS RTK. 29

6. ELEMENTOS DE DISEO E IMPLEMENTACIN DE REDES CORS

GPS Y GNSS. 31

6.1 CRITERIOS DE LOCALIZACIN DE SITIO. EMPLAZAMIENTO 31

6.1.1 Horizonte del lugar o vista del cielo 31

6.1.2 Efecto multipath o multicamino 32

6.1.3 Fuentes radioelctricas 32

6.1.4 Condiciones Meteorolgicas 32

6.1.5 Condiciones Geofsicas 32

6.2 MONUMENTACION 34

6.2.1 Tipos de monumentos 35

6.3 SEGURIDAD 40

6.4 SUMINISTRO DE ENERGA 40

6.5 COMUNICACIN 40

6.6 EQUIPOS 41

6.6.1 Receptor 42

6.6.2 Antena 43

6.6.3 Cables de antena 45

6.7 PROTECCION A TIERRA Y CONDICIONES AMBIENTALES 46

6.7.1 Proteccin a condiciones atmosfricas Surge Arrestor 46

6.8 ADMINISTRACION 47

6.9 DOCUMENTACIN 51

6.10 FUNCIONAMIENTO GENERAL DE LOS CENTROS OPERACIONALES

DEL IGS 51

7. APLICACIONES GPS 56

7.1 GEODESIA 56

7.2 GEODINMICA 58

7.3 TOPOGRAFA, CARTOGRAFA Y SIG 60

7.4 INGENIERA CIVIL 62

7.5 TELEDETECCIN 64

7.6 CONTROL DE VEHCULOS 64

7.7 OTRAS APLICACIONES Y USOS ACTUALES 64

8. CRITERIOS DE SELECCIN DE REDES CORS GPS Y GNSS 65

9. ALGUNAS REDES GEODSICAS EN EL MUNDO 68

9.1 RED CORS VENEZOLANA (REMOS) 68

9.2 RED GEODESICA GEOCNTRICA NACIONAL (REGGEN) PER 69

9.3 RED GEODSICA ARGENTINA 70

9.4 RED GEODESICA DE COLOMBIA MAGNA ECO 71

9.5 RED GEODESICA NACIONAL ACTIVA DE MEXICO (RGNA) 72

9.6 RED DE ESTACIONES CORS ESTADOS UNIDOS DE AMERICA 74

CONCLUSIONES 75

RECOMENDACIONES 76

GLOSARIO

BIBLIOGRAFIA

ANEXOS

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1. Tipos de monumentos 36

Tabla 2. Formato de fichero 53

Tabla 3 Fichero de datos y tiempo. 54

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1 Representacin Datum WGS84 8

Figura 2. Modelo Gravimtrico de Grace 8

Figura 3. Segmento espacial GPS 11

Figura 4. Segmento de control GPS 12

Figura 5. Posicionamiento horizontal por interseccin de vectores 13

Figura 6. Segmento espacial GLONASS 14

Figura 7. Segmento espacial del Sistema Galileo 15

Figura 8. Algunos receptores GNSS 16

Figura 9. Sistema WASS 18

Figura 10. Programa Egnos 19

Figura 11. Sistema Egnos 20

Figura 12. Antena GPS CORS GUAJ 23

Figura 13. Estacin permanente con fines geodinmicos 28

Figura 14. Mapa tpico de una red 28

Figura 15. Estaciones mltiples conectadas va Internet 29

Figura 16. Red GPS y GLONASS RTK 30

Figura 17. Funcionamiento red RTK 30

Figura 18. Ubicacin adecuada para una estacin CORS 31

Figura 19. Pilar de hormign y estructura metlica sobre base de hormign 37

Figura 20. Monumentacin sobre pilastra en concreto. 38

Figura 21. Monumentacin sobre mstil anclado lateralmente. 39

Figura 22. Antena Choke Ring y receptores ASTECH 43

Figura 23. Diagrama de antena Choke Ring 44

Figura 24. Antena Choke Ring Topcon 45

Figura 25. Amplificador de lnea 46

Figura 26. Surger arrester 47

Figura 27. Modelo de Geoide con GPS y nivelacin 57

Figura 28. Red GPS Integrada del sur de California 59

Figura 29. Anlisis de las estaciones y series temporales 60

Figura 30. Distribucin espacial de la red REMOS 68

Figura 31. Mapa del sistema geodsico oficial del Per 69

Figura 32. Red Argentina de Monitoreo Satelital Continuo 70

Figura 33. Sistema Magna Sirgas Red bsica GPS CORS MAGNA ECO. 71

Figura 34. Red geodsica Nacional de Mxico 73

Figura 35. Red de estaciones CORS de Estados Unidos 74

LISTA DE ANEXOS

Anexo A. Formato de descripcin Estacin Magna Eco RIOH.

Anexo B. Catlogos de equipos CORS GPS y GNSS actualmente.

RESUMEN

ELEMENTOS PARA EL DISEO E IMPLEMENTACION DE REDES CORS Y GNSS, es una gua tcnico-descriptiva, encaminada a dar a conocer a nivel acadmico, institucional y gremial en el pas, los aspectos tcnicos ms importantes involucrados en el proceso de diseo e instalacin de redes geodsicas de estaciones continuas GPS y GNSS. Para su diseo y elaboracin se desarrollo una tarea importante de consulta, tanto bibliografica como de fuentes directas, incorporando apartes propios de la experiencia personal profesional del autor en la instalacin de la fase 3 de la red geodsica de estaciones permanentes GPS MAGNA ECO en Colombia. Su importancia radica en la necesidad de adelantar en el pas un proceso de actualizacin tecnolgica, que vaya a la par con la informacin y divulgacin de los distintos niveles de la sociedad internacional directamente comprometida en este campo, as como tambin servir como material de consulta para las instituciones en Latinoamrica que estn en proceso de desarrollo en la implementacin de esta tecnologa.

INTRODUCCION

Los grandes avances cientficos de las geociencias y el afianzamiento, apropiacin y explotacin de la era espacial, han evolucionado considerablemente en la ltima dcada.

De esta manera, la geodesia ha tenido una drstica transformacin gracias a la tecnologa satelital de posicionamiento global GPS y los sistemas del futuro GNSS, cuya informacin es el insumo fundamental para la actualizacin de las redes geodsicas en el mundo, y la inspiracin cientfica para el desarrollo de mltiples aplicaciones en topografa, fotogrametra, SIG, entre otras reas de la geomtica.

Mundialmente se viene hablando de Redes de Estaciones Permanentes de Rastreo Continuo CORS GPS y ahora GNSS, como la infraestructura base para el desarrollo de mltiples aplicaciones a diferentes escalas geogrficas, a nivel de pas, departamento, ciudad, proyectos locales e independientes y de esta manera los pases latinoamericanos han venido realizando inversiones en equipos de tecnologa de punta para actualizar sus redes geodsicas, como por ejemplo la instalacin de la red de estaciones CORS Magna Eco en Colombia, que representa uno de los avances ms significativos en el campo de las tecnologas de la informacin del pas. La importancia de este tema, sumada a la poca experiencia en la ejecucin de estos proyectos en Latinoamrica y su alta necesidad de implementarlos, amerit realizar esta gua tcnico-descriptiva denominada: Elementos para el Diseo e Implementacin de Redes CORS GPS y GNSS, como un material que conlleve a dar conocer y a promover la inversin de los gobiernos, fuerzas militares, instituciones acadmicas, empresas y profesionales en geomtica, la importancia y beneficios que representa las estaciones CORS GPS y GNSS, para proyectos de investigacin, ingeniera, comercializacin y capacitacin

En esta gua tcnico-descriptiva se abordan entre otros temas: conceptos bsicos, antecedentes histricos que determinaron el desarrollo de las CORS, los elementos tcnicos y operativos de su instalacin, tipos de redes, equipos, infraestructura, conectividad, comunicacin, seguridad, disponibilidad de satlites, administracin de datos, y un capitulo dedicado a las aplicaciones derivadas, que le abrir al lector un panorama de posibilidades de desarrollo tecnolgico.

La densificacin de estaciones CORS, es un proceso obligatorio en toda Amrica Latina y un requisito para la actualizacin permanente del Sistema de Referencia Geocntrico para Amrica (SIRGAS). Es por esto, que se ha incluido un capitulo sobre algunas redes CORS en el mundo, el estado actual y el desarrollo futuro de otras en Suramrica.

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Disear y elaborar una gua tcnico-descriptiva de consulta sobre los elementos para el diseo e implementacin de redes CORS GPS y GNSS continuas, que sirva de base en la toma de decisiones, y el desarrollo de sus aplicaciones para la comunidad acadmica, instituciones gubernamentales y privadas relacionadas con la geomtica, no slo en el mbito nacional sino en el contexto latinoamericano.

1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Describir las tcnicas y los elementos para el diseo e implementacin de redes CORS GPS y GNSS.

Llenar un vaco en el tema de estaciones permanentes de operacin continua (CORS) y abrir el panorama de los sistemas GNSS.

Documentar histricamente la evolucin de las redes CORS desde sus inicios y ejemplos a nivel mundial, que incentiven al lector a introducirse en la geodesia y adquirir el compromiso y sentido de pertenencia con el tema.

Enfatizar en las diferentes aplicaciones que tienen las redes CORS GPS y GNSS a nivel cientfico, determinacin de movimientos tectnicos, comercializacin y densificacin del uso del GPS, aplicaciones en geomtica, fotogrametra, topografa, geodesia entre otras.

Hacer un aporte al proceso de familiarizacin con la tecnologa GPS y su futura masificacin, como herramienta fundamental en el acceso a la informacin.

Contar con una gua tcnica de consulta, que no slo sirva a la comunidad acadmica, sino que permita a todos los interesados en la generacin y aprovechamiento de la informacin georeferenciada, acceder a estos avances.

Aportar a una tarea que conduzca a mediano plazo a la consolidacin de una bibliografa propia en este campo en Colombia.

2. DISEO METODOLOGICO

Este trabajo de grado pretende la presentacin de una gua tcnica, tecnolgica e innovadora, que dentro de su estructura maneje un lenguaje preciso, claro, con vocabulario especializado, pero al mismo tiempo de fcil lectura. Se puede clasificar inicialmente como un material tcnico descriptivo apoyado en herramientas tecnolgicas de punta.

De acuerdo a esta definicin y a los objetivos planteados, la metodologa de diseo y redaccin del documento, se ajust bsicamente a una tarea de revisin bibliogrfica, tanto nacional como internacional, consulta de Internet, acceso a fuentes directas como son el IGAC, NOOA, IGS, UNAVCO, NGS, empresas participantes, consultores internacionales, apoyo de materiales visuales como mapas, grficos, diagramas de flujo y fotografas, apoyo de archivos, as como de documentos propios, fruto del trabajo directo en el proceso de instalacin de 16 antenas CORS de la red Magna-Eco, capacitacin, congresos y cursos internacionales.

En la tarea de redaccin, observaciones, correcciones, ajustes y presentacin, se cont con la asesora necesaria, teniendo en cuenta el objetivo final de este documento.

3. CONCEPTOS BASICOS

A continuacin se resean algunas de los conceptos y definiciones bsicas que resultan fundamentales para la comprensin de los procesos de diseo y estructuracin de redes CORS GPS y GNSS. 3.1 GEODESIA

Es la ciencia que estudia la forma, dimensiones y campo gravitatorio de la tierra. Se considera tambin como la ciencia de la medida y representacin de la tierra (Helmert 1880). Es la base de la topografa y la cartografa y se puede dividir en:

Geodesia fsica. Estudia el campo gravitatorio de la tierra partiendo de mediciones y del modelado.

Geodesia Geomtrica. Estudia la figura de la tierra en su aspecto geomtrico y dimensiones.

Astronoma Geodsica. Estudia los mtodos astronmicos para determinar coordenadas geogrficas sobre la superficie terrestre, partiendo de una serie de puntos fundamentales sobre los que se basaran las redes geodsicas.

Geodesia Espacial. Utiliza la medicin de cuerpos fuera de la tierra, para posicionamiento y mediciones geodsicas.1

La geodesia se puede considerar tambin como una rama de las geociencias y una ingeniera, trata del levantamiento y de la representacin de la forma y de la superficie de la Tierra, global y parcial, con sus formas naturales y artificiales.

1 DALDA MOURON, Adolfo. Et al. VII curso GPS en Geodesia y Cartografa, Conceptos fundamentales en Geodesia Tema I. Instituto Geogrfico Nacional de Espaa. Cartagena-Colombia, Junio 2006. 424 p.

3.1.1 Sistema geodsico de referencia

Los sistemas geodsicos de referencia definen la forma y dimensin de la Tierra, as como el origen y orientacin de las coordenadas. Pueden ser descritos con base a dos modelos matemticos: el esfrico y el elipsdico, los cuales son obtenidos con base en parmetros fsicos, medidos sobre la superficie terrestre, como es la aceleracin de gravedad.

Los sistemas globales de coordenadas permiten definir posiciones sobre la superficie de la Tierra, el ms usado es el de la latitud, la longitud y la altura. El meridiano de Grenwich o meridiano central y la lnea del ecuador son los planos que definen latitud y longitud.

3.1.2 Elipsoide de referencia

Es la superficie formada por la revolucin de una elipse alrededor de su eje menor y usado como dato de comparacin en levantamientos geodsicos del globo terrestre. Es la figura matemtica que ms se aproxima al geoide y fcil de redefinir matemticamente.

Elipsoide WGS84

El World Geodetic System WGS-84 o Sistema Geodsico Mundial de 1984, es un sistema de referencia terrestre nico para referenciar las posiciones y vectores. El sistema de posicionamiento global lo utiliza desde 1987. Se estableci utilizando observaciones Doppler al sistema de satlites de navegacin NNSS o Transit, de manera que se adaptara lo mejor posible al globo terrestre. Se define as:

Origen: Centro de masas de la tierra, incluye ocanos y atmsfera.

Eje Z: Paralelo a la direccin del polo CIO o polo medio definido por el BIH, poca 1984.0 con una precisin de 0,005.

Eje X: interseccin del meridiano origen Greenwich y el plano que pasa por el origen y perpendicular al eje Z, el meridiano de referencia coincide con el meridiano cero del BIH en la poca 1984.0 con una precisin 0,005. Realmente el meridiano de origen se define como IERS Reference Meridian (IRM).

Eje Y: Ortogonal a los anteriores pasando por el origen.

Figura 1. Representacin Datum WGS84. Imagen tomada de www2.tech.purdue.edu/resources/gps/geodesy.htm

3.1.3 Geoide

Figura 2. Modelo Gravimtrico de GRACE. Tomado de VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa, Cartagena de Indias, Colombia, Junio 2006.TEMA 1. Memorias en medio Magntico.

Se conoce como geoide, a la forma que tiene la superficie fsica de la Tierra y que se define mediante el potencial gravitatorio. Geomtricamente es casi un elipsoide de revolucin (esfera achatada por los polos).

La forma del geoide puede determinarse as:

Medidas gravimtricas: Midiendo la magnitud de la intensidad de la gravedad en diversos puntos de la superficie terrestre. Por ser elipsoide de revolucin, la aceleracin de la gravedad va aumentando desde el ecuador hasta los polos. Estas mediciones tienen que ser corregidas para eliminar las anomalas locales debido a variaciones de la densidad.

Mediciones astronmicas: Se determina la vertical del lugar y se conocen sus variaciones.

Medicin de las deformaciones: Producidas en la rbita de los satlites y causadas porque la Tierra no es homognea. Esto ha permitido definir un geoide con mltiples depresiones y abultamientos, diferente en buena medida al elipsoide de revolucin terico, aunque estas irregularidades son menores de 100 metros.2

A pesar de lo anterior, la determinacin de la figura del geoide ha sido un problema para la geodesia fsica, sus principales obstculos son la irregularidad del mismo sobre la superficie terrestre, los problemas para obtener valores de gravedad con precisin, as como la dificultad matemtica y complejidad del proceso.

3.1.4 Informacin geogrfica

2 Informacin tomada de Wikipedia, La Enciclopedia Libre (en lnea). Disponible en htpp://es.wikipedia.org/wiki/geodesia.

Conjunto de datos, smbolos y representaciones organizados para conocer y estudiar las condiciones ambientales y fsicas del territorio nacional, la integracin de sta en infraestructura, recursos naturales y la zona econmica exclusiva.

3.1.5 Informacin georeferenciada

Es cualquier tipo de informacin que pueda ser ubicada mediante un conjunto de coordenadas geogrficas con respecto a un determinado sistema de referencia.

3.1.6 Levantamiento Geodsico

Conjunto de procedimientos y operaciones destinados a determinar las posiciones relativas tridimensionales de puntos sobre la superficie terrestre, inclusive su campo gravimtrico, tomando en consideracin la curvatura terrestre.

3.2 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

3.2.1 GPS (Global Positioning System)

El Sistema de Posicionamiento Global GPS, es un mtodo de posicionamiento y navegacin basado en las seales transmitidas por la constelacin de satlites NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging) y recibidas por receptores porttiles en tierra. Las seales mltiples que se reciben simultneamente provenientes de las sucesivas posiciones de los satlites, se utilizan para resolver las ambigedades y permitir con esto la determinacin de la posicin tridimensional del punto por conocer.

El GPS fue desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, con el objetivo de mejorar la exactitud para la navegacin terrestre, marina y

area, para proveer posicionamiento geogrfico preciso en cualquier parte del mundo, a usuarios en tierra por medio del uso de receptores porttiles.

El proyecto GPS determin en un principio el lanzamiento de un grupo de 10 satlites o bloque experimental, que tuvo como objetivo determinar la efectividad del sistema. Despus de estos trabajos de investigacin, se puso en marcha el bloque operativo, que el 26 de junio de 1993 coloc en rbita el satlite nmero 24, con lo cual qued completa la constelacin, con un cubrimiento espacial de 24 horas en cualquier parte del mundo. Actualmente la precisin de un levantamiento GPS, est cifrado en el rango de los 3 -10 metros en tiempo real, esto es al momento de la observacin.

Elementos del sistema Segmento Espacial: Compuesto por 24 satlites con trayectorias sincronizadas que cubren toda la superficie del Globo y repartidos en 6 planos orbitales de 4 satlites cada uno. La energa para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares ubicadas en sus costados.

Figura 3. Segmento espacial. GPS Tomada de www.gps.oma.be/fr/lbesch_fr_ok_css.htm

Segmento de control: Son estaciones en tierra que operan y monitorean el sistema GPS, envan informacin a los satlites para controlar las rbitas y realizar el mantenimiento de toda la constelacin.

Actualmente existen 12 estaciones de monitoreo y control: 1 Fase: 5 distribuidas en longitud por la superficie terrestre. (Colorado Springs, Hawaii, Kwajalein, Diego Garca e Isla Ascensin). 2 Fase: 1 Cabo caaveral (Florida) 3 Fase: 6 estaciones del NIMA incluidas. (Septiembre 2005) (Quito, Washington, Buenos Aires, Hermitage, Bahrain, Salisbury)

Figura 4. Segmento de control GPS. Tomado de VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa Cartagena de Indias, Colombia, Junio 2006.TEMA 5. Memorias en medio Magntico.

Segmento de Usuario: Lo constituyen todos los receptores GPS y sus programas de procesamiento de datos, suministran la informacin bsica del GPS llamada PVT (Position, Velocity and time).

Sus aplicaciones se extienden cada da ms en el mbito civil y militar, en tierra, mar y aire.

Funcionamiento

Correcciones que se aplican), se puede calcular la distancia entre el receptor y el satlite. La posicin de los satlites es conocida por el receptor con base en las efemrides (5 parmetros orbitales Keplerianos), que son transmitidas por los propios satlites. La coleccin de efemrides de toda la constelacin se completa cada 12 minutos y se guarda en el receptor GPS.

El receptor GPS mide su distancia de los satlites y usa esa informacin para calcular su posicin, sta se mide calculando el tiempo que la seal tarda en llegar al receptor, conocido ese tiempo y basndose en el hecho de que la seal viaja a la velocidad de la luz (salvo algunas

Cada satlite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera con centro en el propio satlite y de radio la distancia total hasta el receptor.

Es necesario tener informacin de mnimo cuarto satlites, para eliminar el inconveniente de la falta de sincronizacin entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satlites, es en ese momento cuando el receptor puede determinar una posicin 3-D exacta (latitud, longitud y altitud).

Figura 5. Posicionamiento horizontal por interseccin de vectores, Tomado de presentacin GPS Topoequipos S.A.

3.2.2 GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)

Es el sistema de navegacin global por satlites ruso y la contrapartida al sistema satelital de Estados Unidos. Opera desde enero de 1996, similar al GPS pero con importantes diferencias, ya que est administrado por las Fuerzas Espaciales Rusas para el gobierno de la Confederacin Rusa y tiene aplicaciones civiles adems de las militares.

Al igual que en el GPS, existen dos seales de navegacin: la seal de navegacin de precisin estndar (SP) y la seal de navegacin de alta precisin (HP). La primera, disponible para todos los usuarios, tanto civiles como militares que deseen emplearla en todo el mundo, permite obtener la posicin horizontal con una precisin de entre 57 y 70 metros (99.7% de probabilidad). La posicin vertical con una precisin de 70 metros (99.7% de probabilidad). Las componentes

del vector velocidad con precisin de 15cm. /s (99.7% de probabilidad) y el tiempo con precisin 10s (99.7% de probabilidad).

Estas caractersticas pueden ser mejoradas empleando sistemas diferenciales similares a los empleados con GPS y utilizando mtodos especiales de medida (medida de fase).

La constelacin completa est formada por 21 satlites activos y 3 de reserva situados en tres planos orbitales separados 120. Esto permite que sobre el 97% de la superficie terrestre se vean al menos 4 satlites de forma continua, frente a los 5 satlites (al menos) que pueden ser vistos en el 99% de la superficie terrestre, si la constelacin es de 24 satlites (GPS). De los 24 satlites de la constelacin GLONASS, peridicamente se seleccionan los 21 que resultan dar la combinacin ms eficiente y los 3 restantes son dejados en reserva. GLONASS se mueve en rbita alrededor de la tierra con una altitud de 19.100 kilmetros (algo ms bajo que el GPS) y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una rbita.

Figura 6. Segmento espacial Glonass. Imagen tomada de: Presentacin GLONASS: Present and Future. Memorias Seminario Taller Regional GNSS. IV Conferencia Espacial de las Amricas, 26 al 29 de Septiembre 2005, Bogot-Colombia

3.2.3 Galileo

Sistema global de posicionamiento desarrollado por la Unin Europea (EU) y el apoyo de la Agencia Espacial Europea, independiente al sistema GPS y a Glonass. Se espera que est en operacin en el ao 2010.

Galileo funcionar a travs de una red de 30 satlites que orbitan a 23.000 kilmetros de la tierra, en 3 planos orbitales distintos. Es un sistema civil que proporciona un conjunto de servicios a varias categoras de usuarios. Ser operado por una entidad independiente asegurando servicio a la comunidad, incluyendo aplicaciones para la seguridad de la vida humana.

Los satlites Galileo, con un peso total aproximado de 600Kg., una carga til aproximada de 110 Kg. y un consumo de potencia de 1.7 kW., sern capaces de entregar la seal hacia la tierra con ms potencia que la seal del sistema GPS, lo cual permite que la seal de Galileo sea menos interferible.

En diciembre de 2005 se lanz el primer satlite (GIOVE A), su objetivo fue ocupar las frecuencias que utilizar el sistema. Galileo estar basado en una constelacin de satlites de rbita media MEO, (Medium Earth Orbit) y satlites geoestacionarios GEO (Geosynchronous Earth Orbit) combinados con la apropiada infraestructura terrestre y sistemas de soporte.

El segmento espacial: incluir la constelacin de satlites que proveen las seales a los usuarios.

Figura 7. Segmento espacial del sistema Galileo. Imagen tomada de: http:vietsciences.free.fr/timhieu/khoahoc/astronomie/images/galileo-system.jpg

El segmento terrestre: compuesto de las estaciones de telemetra y control requeridas para subir y recibir datos de los satlites Galileo.

El segmento misin: comprender las diversas aplicaciones y sistemas necesarios para administrar y controlar el sistema. El segmento misin abarca el MCC (Mission Control Centres), el ICC (Integrity Control Centres), el OSS (Orbitography and Synchronisation Stations y el RIMS (Ranging and Integrity MonitoringStations).

El MCC desempea las siguientes tareas: generar todos los parmetros de referencia a ser usados por el sistema (tiempo, parmetros de sincronizacin, calendarizacin), monitoreo, validar y controlar las otras partes del segmento; archivar datos; evaluar y monitorear el desempeo del sistema; administrar el sistema de navegacin de Galileo.

El segmento usuario: Incluye diferentes tipos de receptores encargados de procesar las seales de los satlites Galileo y de otros sistemas como el Egnos, GPS y Glonass.

Figura

Figura 8. Algunos Receptores GNSS

Receptor GNSS Septentrio PolaRx2. http://www.septentrio.com/products_galileo.

Receptor GNSS Trimble R8 . http://www.trimble.com/

Receptor GNSS Topcon GR-3. http://www.topconpositioning.com/

3.2.4 GNSS (Global Navigation Satellite System)

Nombre dado actualmente a los sistemas de navegacin por satlite y a los receptores que reciben las seales satelitales de GPS, Glonass, Galileo, y los sistemas de aumentacin Wass y Egnos. Los sitemas GNSS incluyen las diferentes opciones de posicionamiento satelital, como son:

- Mediante cdigo autnomo. - Diferencial, mediante correcciones diferenciales. - Con GPS de alta precisin en estudios geodinmicos.

3.2.5 Sistema de aumentacin basado en satlites (SBAS)3

SBAS es un trmino que comprende todos los sistemas de aumentacin basados en satlites que estn en desarrollo actualmente, ms cualquier otro que sea desarrollado en el futuro. Las entidades que han desarrollando actualmente sistemas SBAS son: la FAA (el WASS), un consorcio europeo (el EGNOS) y el gobierno Japons (el MSAS).

Los objetivos de los sistemas SBAS son:

Incrementar la integridad del sistema para cumplir con los requisitos de un sistema de navegacin nico. Los estndares civiles requieren el aviso de falla del sistema dentro de 30 segundos cuando se est en ruta, 10 segundos en una aproximacin de no precisin y 6 segundos en una aproximacin de precisin. En contraste, el sistema GPS puede tomar hasta 30 minutos para notificarle al usuario que ha fallado un satlite.

Mejorar la exactitud del sistema GPS para cumplir con los requisitos de un medio nico de navegacin para aproximaciones de precisin. Sin Wass o un equipo SCAT-I, el GPS puede ser utilizado nicamente para aproximaciones de no precisin.

Aumentar la disponibilidad del sistema para cumplir con requisitos de un medio de navegacin nico. Actualmente, la disponibilidad del sistema GPS vara entre 95-98%. Por consecuencia, es necesario confirmar, antes de cada vuelo en el cual se desea 3 Tomado de: Sistemas de aumentacin de satlites (en lnea) . Disponible en: www.corpac.gob.pe/.../links/capitulo_iiihtm.

utilizar el GPS como medio de navegacin primario, la disponibilidad de los satlites a lo largo de la ruta del GPS, porque previo al WAAS, ha sido necesario dedicar un satlite en la vista a la sola funcin de monitoreo de la integridad.

La arquitectura bsica de todos los sistemas SBAS est conformada por una red de estaciones terrestres diferenciales, que determinan el error total de posicin en una determinada regin. Esas correcciones son transmitidas al avin por medio de satlites geoestacionarios, luego el receptor de a bordo ajusta la informacin recibida directamente de los satlites GPS, con las correcciones recibidas de los satlites geoestacionarios, para as navegar con ms precisin.

3.2.5.1 WASS

Figura 9. Sistema WASS. Imagen tomada de: Iwww.corpac.gob.pe/publica/gnss/links/capitulo_iii.htm-97k

Wide Area Augmentation System o Sistema de Aumentacin de rea Amplia, es un sistema de correccin diferencial que implement la Administracin Federal de Aviacin de los Estados Unidos en 1991, para mejorar la capacidad de navegacin basado en el GPS del sector civil.

Opera a partir de una red de estaciones de referencia, las seales de los satlites GPS son recibidas por la estacin base del sistema WASS, que calculan su posicin y luego comparan con la posicin conocida de la estacin.

3.2.5.2 EGNOS

(European Geoestationary Navigation Overlay System) Sistema de navegacin desarrollado por la Agencia Espacial Europea, la Comisin Europea y Eurocontrol, como complemento a las redes GPS y GLONASS, cuyo propsito es proporcionar mayor precisin y seguridad en las seales (menos de 2 metros).

Figua 10. Programa Egnos. Imagen tomada de www.galileo.nl/egnos.html

Se compone de una red de 3 satlites geoestacionarios y 1 red de estaciones terrestres que monitorea los errores de la seal GPS y actualiza las correcciones enviadas por EGNOS. Entr en operacin en julio de 2005 y es compatible con el sistema WASS de Estados Unidos.

EGNOS cuenta con 4 elementos bsicos: el segmento de tierra, el segmento espacial, el segmento de usuario y los medios de soporte al sistema.

El segmento de tierra se compone de:

Ranging and Integrity Monitoring Stations (RIMS). Son estaciones distribuidas principalmente por Europa y cuyo propsito es el de recibir las seales provenientes de los distintos satlites.

Mission Control Center (MCC). Que incluye dos subsistemas: la Central Processing Facility (CPF), para el clculo, distribucin, validacin y transmisin de las correcciones y la Central Control Facility (CCF), encargada del control y monitoreo del sistema.

Navigation Land Earth Stations (NLES). Se encargan de enviar la informacin al satlite geostacionario (GEO), para que sea retransmitida a los usuarios.

EGNOS Wide Area Network (EWAN). Es la red de comunicaciones entre los diferentes elementos del segmento de tierra.

El segmento espacial Por los satlites geoestacionarios, encargados de transmitir a los usuarios las correcciones calculadas por el segmento de tierra.

Figura 11. Sistema EGNOS.Imagen tomada de Iwww.corpac.gob.pe/publica/gnss/links/capitulo_iii.htm-97k

El segmento de usuario viene dado por el desarrollo de un receptor estndar EGNOS, que ser utilizado por todos los usuarios en las diferentes aplicaciones.

Los sistemas de soporte para el desarrollo, operacin y cualificacin de las diferentes partes del sistema:

Development Verification Platform (DVP). Todo un conjunto de elementos con el fin de validar y verificar los requisitos de EGNOS durante la fase de desarrollo. Entre ellos, se destacan por su importancia el EGNOS End-To-End Simulator (EETES) que proporciona seales simuladas que puedan ser usadas para la validacin del sistema y el Early System Test-Bed (ESTB), un prototipo de EGNOS en tiempo real que permitir las primeras pruebas con datos reales.

Performance Assessment and system Check-out Facility (PACF), que se usar durante la operacin y mantenimiento

Application-Specific Qualification Facility (ASQF). Facilitar a las autoridades de aviacin civil y de certificacin, las herramientas para la cualificacin y validacin del sistema.

3.2.5.3 MSAS (Multi-funtional Satellite Augmentation System) Sistema de Aumentacin basado en el satlite multifuncional. Operativo en Asia, principalmente en el Japn. 3.2.5.4 COMPASS Es el sistema de navegacin por satlite de la China, con una seal abierta a toda la sociedad civil. El primer satlite Beidou Navigation, fue puesto en rbita geoestacionaria el 30 de octubre de 2000. En diciembre de ese mismo ao y en mayo de 2003 fueron lanzados los satlites 1B y 1C respectivamente.

Este conjunto de satlites funciona actualmente como un sistema de posicionamiento regional (China y pases limtrofes) para los servicios de telecomunicaciones, deteccin de incendios, meteorologa, etc.

En este ao completar su sistema con dos satlites geoestacionarios y espera lanzar otros 30 satlites en rbita media, hasta lograr una cobertura global.

3.3 SISTEMA DE REFERENCIA GEOCNTRICO PARA LAS AMRICAS SIRGAS

SIRGAS es la densificacin del ITRF en Amrica. Est conformado por una red con ms de 180 estaciones geodsicas de alta precisin (algunas de ellas de funcionamiento continuo), cuya distribucin ofrece un cubrimiento homogneo sobre el continente y por tanto, las condiciones necesarias para que las redes nacionales estn vinculadas al ITRF.

El datum geodsico correspondiente est definido a partir de los parmetros del elipsoide GRS80 (Geodetic Reference System 1980), orientado segn los ejes coordenados del sistema de referencia SIRGAS, equivalente al ITRF (SIRGAS 1997).

3.3.1 MAGNA ECO (Marco Geocntrico Nacional de Estaciones Continuas)

Nombre dado a la red de estaciones permanentes CORS, que forman parte de la red geodsica nacional MAGNA-SIRGAS. Actualmente son 32 estaciones que rastrean datos GPS continuamente para su almacenamiento, procesamiento, anlisis cientfico y comercializacin a los usuarios de informacin georeferenciada, estas estaciones conforman la red activa de GPS de Colombia.

3.4 ESTACIN PERMANENTE DE OPERACIN CONTINUA (CORS)

Figura12. Antena GPS CORS GUAJ Red Magna, Eco Guajira, Colombia. Archivo Personal

Una estacin de referencia de operacin continua CORS (Continuously Operation Reference Station), en un equipo GPS o GNSS, compuesto por receptor, antena y accesorios, protegido y ubicado en un punto, que emplazado con precisin, rastrea y almacena datos sin interrupciones.

Puede equiparse para radiodifundir correcciones de tiempo real diferencial. Se almacenan grupos de datos diariamente para uso en procesamiento GPS y estos datos pueden ser descargados por la Web, incrementa la eficacia del GPS en Geodesia y Cartografa. Debe incluirse y formar parte en una red geodsica nacional.

Opera en forma contnua con un intervalo de registro estndar (por ejemplo 15, y 30 segundos), en forma automtica en la descarga de datos, conversin al formato RINEX y puesta en un servidor que puede ser descargado por cualquier usuario.

4. EVOLUCION HISTORICA DE REDES CORS GPS y GNSS

Los sistemas de navegacin por satlite, nacen de la necesidad de la marina de los Estados Unidos de ubicar satlites artificiales en orbita alrededor de la Tierra. Es as como en el ao de 1957 se inici el programa Polaris, cuyo objetivo fue el despliegue de misiles intercontinentales ubicados bajo el agua. El xito de este proyecto dependa de la capacidad de determinar con precisin la posicin de los submarinos portadores de los misiles, lo que exiga un sistema de navegacin global.

Al mismo tiempo, los investigadores de la universidad Johns Hopking, haban comprobado la posibilidad de determinar con precisin la orbita del Sputnik 1 mediante el efecto Doppler sufrido por la seal que emita y el conocimiento exacto de la posicin del receptor que la sintonizaba.

Esto llev a plantearse el interrogante de que si se conoca la posicin precisa de un satlite, seria posible conocer la de un receptor situado en una posicin desconocida, midiendo el efecto Doppler sufrido por una seal emitida desde el satlite. As naci el TRANSIT en 1958, el primer sistema de navegacin satelital.

Este sistema estableci los conceptos bsicos de los sistemas de navegacin, su estructura, fuentes de error, tcnicas de navegacin y geodsicas. El GPS fue el resultado de su desarrollo tecnolgico.

Resumiendo cronolgicamente, se puede decir que el programa TRANSIT aport la primera experiencia prctica de un sistema en operacin; El programa TIMATION, tambin de la marina de Estados Unidos, diseado para suministrar posicin y tiempo preciso a observadores terrestres pasivos, defini fundamentalmente la tecnologa de los relojes atmicos ubicados en satlites y que el programa 621-B de la Fuerza Area, demostr la capacidad de un nuevo tipo de seales basadas en el uso de cdigos seudo-aleatorios. Tcnica que permiti el uso de la misma frecuencia para todos los satlites y la deteccin de

seales de varios rdenes de magnitud, por debajo de nivel de ruido y fciles de generar.

El 22 de febrero de 1978, se puso en rbita el primero de los satlites NAVSTAR, fecha que marc un nuevo hito en la historia de la navegacin y geodesia en todo el mundo.

Historia del GPS. 4

A principios de la II Guerra Mundial aparece el primer sistema de navegacin basado en la llegada diferenciada de seales de radio denominado LORAN. Fue tambin el primer sistema de posicionamiento capaz de funcionar bajo cualquier condicin climatolgica, pero solamente bidimensional (latitud y longitud).

1959 TRANSIT. El primer sistema operacional basado en satlites, desarrollado por Johns Hopkins. A pesar de querer dar soporte a la flotilla de la marina de Estados Unidos, las tecnologas empleadas para el sistema demostraron ser tiles para el sistema de posicionamiento global (GPS). El primer satlite fue lanzado en ese ao. 1960 El primer sistema de posicionamiento de 3 dimensiones es sugerido por Raytheon Corporation y destinado a la fuerza area. 1963 La compaa aeroespacial lanz un estudio en la utilizacin de un sistema espacial para el sistema de navegacin para los vehculos en movimiento a gran velocidad y 3 dimensiones. Esto los llev directamente al concepto de GPS. El concepto involucraba medir los tiempos de llegada de las seales de radio transmitidas por los satlites cuyas posiciones eran bien conocidas. Esto proporcionaba la distancia al satlite, cuya posicin era conocida y a la vez estableca la posicin del usuario. La Fuerza Area da apoyo a este estudio bautizndolo Sistema 621B. 1964 Timation. Un sistema satelital naval es desarrollado por Roger Easton en los laboratorios de investigacin naval. para el desarrollo de relojes de alta estabilidad, capacidad de transferencia de tiempo y navegacin en dos dimensiones. 4 AYALA A., Ramiro de Jess. Redes en funcin de la aplicacin. /Geodsica, Geodinmico RTK. (En lnea) Disponible en http://hommepage.mty.itesm.mx/al584299mypaper.htm.

1968 El departamento de defensa de los Estados Unidos establece un comit llamado NAVSEG (Navigation Satellite Executive Comit), para coordinar los esfuerzos de diversos grupos de navegacin satelital. 1971 El sistema 621B es probado por la fuerza area, dando resultados de una precisin de centsimas de milla. 1973 El Secretario de Defensa decide que los diferentes sistemas de navegacin que se estaban creando se unifiquen y nace un nico sistema. 1974 Rockwell International fue contratado como proveedor de los satlites GPS. 1978 El primer block de satlites fue lanzado. Un total de 11 satlites fueron lanzados entre 1978 y 1985. 1982 DOD decide reducir la constelacin de satlites de 24 a 18. 1983 Despus de la cada de La Unin Sovitica, el gobierno de Estados Unidos informa que el sistema GPS podr ser utilizado por las aeronaves civiles. 1988 El Secretario de la Fuerza Area anuncia la expansin de la constelacin de GPS de 18 a 21 satlites y 3 de repuesto. 1989 El primero de un block de 28 satlites es lanzado en Cabo Caaveral, Florida. 1990 Se activa una degradacin en la exactitud del sistema de forma planeada. El sistema es probado en la guerra del Prsico. 1991 El gobierno ofrece el sistema de GPS a la comunidad internacional sin costo, durante los siguientes 10 aos. 1993 El gobierno declara el sistema formalmente funcionado con sus 24 satlites en rbita. 1995 El gobierno de Estados Unidos se compromete mediante una carta a la ICAO a proveer las seales de GPS a la comunidad internacional. 2000: El gobierno de estados Unidos, levanta la restriccin de disponibilidad Selectiva S/A. (Selective Available)

5. REDES CORS EN FUNCIN DE SU APLICACIN

La evolucin de los sistemas satelitales ha marcado la diferencia entre estaciones CORS GPS, y estaciones CORS GNSS, donde su verdadera diferencia se traduce en el hecho de poder recepcionar ms satlites, adicionando las constelaciones GLONASS (Rusia), y GALILEO (Europa), distintas al GPS de los Estados Unidos. Por lo anterior, los tipos de redes se clasifican de la misma manera para redes GPS y GNSS.

La clasificacin de redes de estaciones permanentes CORS GPS y GNSS, se han visto drsticamente delimitadas por su propsito principal, desde su concepcin en el diseo en dos clases: la primera en funcin de aplicaciones cientficas, especficamente en la determinacin de movimientos tectnicos y geodinmica. La segunda, en funcin de aplicaciones comerciales en servicios y productos geodsicos y geomticos, como topografa, fotogrametra, hidrologa, el uso de GPS en sistemas de informacin geogrfica entre otros.

5.1 REDES CORS CON FINES GEODINMICOS Las redes CORS con fines geodinmicos, se diferencian principalmente de las geodsicas por el tipo de monumentacin empleada, por la forma de comunicarse con el servidor central, o centro de anlisis regional y por los equipos GPS o GNSS empleados, que deben garantizar unas especificaciones tcnicas adicionales a los utilizados para redes geodsicas convencionales, como por ejemplo, que tengan doble puerto de alimentacin de energa, que utilicen enlace telemtrico de comunicacin. Su consumo de energa proviene de paneles solares, en el mejor de los casos por ser sitios remotos, debido a sus incrustaciones y monumentaciones sobre la roca madre y las reas de estudio especficas.

En el pas la entidad encargada de instalar, mantener, y administrar esta red es Ingeominas.

La institucin a nivel Internacional que ha marcado la pauta para estas aplicaciones, validando tecnologa y haciendo investigacin profunda. es la UNAVCO (University NAVSTAR Consortium), que desde su creacin, en 1984

promueven las ciencias de la tierra, a travs de tcnicas avanzadas de alta precisin para medicin y comprensin de las deformaciones terrestres y esto logrado mediante la instalacin de estaciones permanentes CORS.

Figura 13. Estacin Permanente con Fines Geodinmicos, campaa Hoopers-UNAVCO. Tomada de http://facility.unavco.org/project_support/permanent/monumentation/monumentation.html

5.2 REDES CORS CON FINES GEODSICOS

Se denominan redes CORS geodsicas, las que se disean con fines de actualizacin de la red geodsica y cartogrfica de un pas, almacenan datos continuamente para post-proceso, clculo, ajuste esttico para la determinacin, densificacin y actualizacin del ITRF. Estas mismas pueden cubrir reas geogrficas pequeas para proveer servicios de datos para post-procesamiento.

Figura 14, Mapa tpico de una red. Red de Topcon California. Tomada de memorias capacitacin fase 3 Magna ECO, IGAC

2005, Archivo personal

Figura. 15. Estaciones mltiples conectadas va Internet a un servidor central, donde corre el software de administracin, Tomada de memorias capacitacin fase 3 Magna ECO, IGAC 2005, Archivo personal

5.3 REDES CORS RTK Redes de estaciones permanentes CORS RTK (Real Time Kinematic), son aquellas que normalmente cubren pequeas reas a nivel regional, o local, con propsitos de trabajos topogrficos y habilitadas para radiodifundir correccin diferencial en tiempo real, para equipos Rover RTK, mediante comunicacin celular o con radio mdem, con protocolos Standard RTCM o CMR, inclusive utilizando mtodos VRS (Virtual Reference Station), FKP (Area Correction Parameters), entre otros. Pueden ser tambin estaciones unitarias, que actan de forma comunitaria en un barrio o localidad. La comunicacin es vital para la eficiencia en la operacin de CORS RTK. El software de administracin, montado en un servidor tiene el control de los receptores y la descarga de los datos. Datos en tiempo real y DGPS (diferencial GPS), deben que ser transmitidos para usos de equipos GPS y GNSS Rovers y GIS. (Receptores con aplicaciones para sistemas de informacin geogrfica).

Para comprender la configuracin de una red en este tem, se cita la red CORS RTK de la ciudad de Dallas (Texas), implementada y administrada por la compaa Midwest Supplies, con las siguientes caractersticas de configuracin.

GPS+ ReferenceGPS+

SERVIDOR

GPS+ Reference Station

GPS+ Reference Station

GPS+ Reference Station

GPS+ Reference Station SOFTWARE SERVIDOR RTK

Network RTK Rover

WIRELESS DATA LINK

Figura 16. Red GPS y GLONASS_RTK, de la empresa Midwest Supplies, Richardson Texas. Cortesa de Jhon Nicholson y Dave Henderson.

Figura 17. Funcionamiento red RTK, comunicacin celular. Cortesa de Jhon Nicholson y Dave Henderson. Midwest

Supplies, Richardson Texas

6. ELEMENTOS DE DISEO E IMPLEMENTACIN DE REDES CORS GPS Y GNSS.

6.1 CRITERIOS DE LOCALIZACIN DE SITIO. EMPLAZAMIENTO

En el diseo e implementacin de antenas permanentes, es muy importante tener en cuenta aspectos tcnicos para la localizacin del sitio o emplazamiento y dentro de ste, los requisitos respecto a la localizacin de la antena GPS o GNSS.

Se denomina emplazamiento, al sitio donde se va a monumentar, construir y ubicar la antena de recepcin CORS GPS o GNSS. Existen consideraciones esenciales en la eleccin del emplazamiento como:

6.1.1 Horizonte del lugar o vista del cielo Se deber prever que el horizonte de la antena est despejado por encima de un ngulo de elevacin de 10-15. Los receptores CORS, con aplicaciones geodsicas comerciales para topografa y otras aplicaciones, son usualmente configurados con una mscara de elevacin para no rastrear satlites bajo los 10-15. En redes con fines geodinmicos, se garantiza que los receptores rastreen sobre 0. rboles o edificios cercanos pueden constituir una prdida intermitente de la seal.

Figura 18. Ubicacin adecuada para una estacin CORS, ngulo de elevacin no superior a 10

6.1.2 Efecto multipath o multicamino En el aire se producen los efectos conocidos como multipath (multitrayecto), o distintos rebotes de las ondas en las paredes y superficies, que aumentan las latencias medias de la seal, generando errores en la recepcin fidedigna de la seal, el cdigo y la fase. Superficies planas, ya sean en posicin horizontal o vertical (ms an) cerca de la antena, pueden provocar serios problemas de multipath o multicamino de la seal, as como otros elementos reflectores a considerar cerca de la antena como vallas u objetos metlicos, andamios, vehculos movindose, etc. Normalmente se debe dibujar un diagrama de obstrucciones en torno a la antena para identificar los obstculos ms cercanos. 6.1.3 Fuentes radioelctricas Se deben tener en cuenta en el reconocimiento, la existencia de fuentes radioelctricas cercanas, que puedan producir interferencias en alturas bajas de satlites: torres de transmisin de radio, televisin, telefona, lneas de alta y media tensin, etc. En condiciones ideales, es recomendable que estas fuentes estn alejadas de la antena GPS al menos 1 kilmetro. Como este aspecto a veces es imposible de obtener, es necesario en la primera visita del emplazamiento, dejar el receptor y la antena funcionando de forma que se almacenen datos durante al menos 24 horas o un par de das de rastreo para su posterior anlisis de calidad, que se puede realizar usando la herramienta TECQ de UNAVCO. El software se puede descargar en: http://facility.unavco.org/software/preprocessing/preprocessing.html#teqc

6.1.4 Condiciones meteorolgicas Las consideraciones metereolgicas en principio no son un factor a considerar para la eleccin del emplazamiento. nicamente ser necesario tenerlo en cuenta a la hora de elegir la monumentacin e instalacin de accesorios. Por ejemplo, en clima muy fro, es necesario disponer de un elemento de proteccin para evitar la acumulacin de nieve en la antena llamada Radome. En sitios marinos, es necesario reforzar la torre o vstago y todos los elementos metlicos necesarios. 6.1.5 Condiciones geofsicas

Es necesario que la zona sea geolgicamente estable, lo cual se ha e comprobar con mapas geolgicos de la zona. Lo ideal es que las estaciones permanentes con fines geodinmicos sean monumentadas sobre roca directamente, pero las necesidades de alimentacin elctrica y comunicaciones hacen que estos muchas veces no sea econmicamente posible. Por ello, en la medida de lo posible, se evitan edificios de ms de dos plantas de altura, que no tengan buena cimentacin o que sean nuevos en proceso de asentamiento. En cualquier caso, siempre que sea posible y se disponga de ello, es ideal la instalacin sobre roca madre, observando su calidad en cuanto a fracturacin porosidad y material (libre de materiales arcillosos o arenas), ya que en materiales calizos, las fracturas estn sujetas a expansin y contraccin con la variacin de la temperatura y saturacin de agua. Es necesario evitar las reas afectadas por el drenaje natural durante precipitaciones de agua o nieve, as como reas con cambios del nivel fretico debido a causas naturales o humanas. En cuanto a estaciones permanentes que forman parte de redes internacionales (IGS, EUREF, entre otras), es recomendable colocar las estaciones en:

Observatorios con alguna otra tcnica espacial (SLR, VLBI, DORIS, PRADE).

Otros observatorios geodsicos permanentes (gravimetra, maregrafos). Estaciones de referencia de tiempo frecuencia. Estaciones meteorolgicas.

La excentricidad (local tie) entre las diferentes estaciones multi-tcnicas e interdisciplinarias en un mismo observatorio y emplazamiento, ha de poder ser medida con absoluta precisin como un sistema paralelo. Deben ser medidas las componentes x, y, z, en un sistema de coordenadas cartesianas geocntricas (ITRS). Aunque las estaciones son controladas remotamente, es necesario tener un contacto responsable permanente en sitio, para solucionar situaciones de perdida de control remoto in situ.

Cabe anotar, que para llevar a cabo estas labores de seleccin del emplazamiento, un profesional especializado (ingeniero topogrfico o geodesta), deber hacer una visita de reconocimiento de campo, que constituye la fase exploratoria del proyecto de instalacin de la antena CORS, donde llenar una bitcora de reconocimiento y un formato donde indique el diagrama de obstrucciones y las dems consideraciones descritas anteriormente. (ver ejemplo de formato en Anexos)

6.2 MONUMENTACIN

La monumentacin es un factor trascendental para garantizar la fidelidad de la informacin capturada debido a la estabilidad. No existe un modelo especfico o rgido u obligatorio de monumentos, simplemente es necesario garantizar una estructura con un tipo de seal permanente, estable y de alta calidad. La seal debe estar perfectamente anclada al suelo en profundidad tanto como sea posible, o bien, en contacto en su base con la estructura principal de un edificio bajo, siempre con un sistema de antena que pueda ser estacionado de forma precisa. Cada pas o entidad que pretenda instalar su estacin permanente, es libre de disear su propio estilo de monumentacin, en funcin del presupuesto o propsito, siempre y cuando sea estable, durable y segura en el tiempo. Las monumentaciones geodsicas de alta calidad, han de cumplir las ms estrictas exigencias en cuanto a variaciones de temperatura, vientos extremos o pequeas expansiones/contracciones del suelo que no lleguen a afectar el posicionamiento de la antena. Como se cita en el captulo 5 (La clasificacin de las redes CORS en funcin de su aplicacin), cuando se trata de estaciones permanentes GPS que se van a utilizar para monitoreo de movimientos geolgicos y geodinmicos (corrimientos de laderas, monitoreo de nivel de agua, sismologa, etc.), la monumentacin deber permitir estos movimientos con el fenmeno a estudiar Para este caso la UNAVCO recomienda anclaje sobre roca madre a una profundidad que puede ser entre 2 y 7 metros, dependiendo el grado de dificultad hasta lograr anclar la antena sobre suelo estable y determinar en un rea de cobertura grande los movimientos de placas tctnicas.

6.2.1 Tipos de monumentos Una tabla informativa de especificaciones sobre monumentacin, que caracteriza varios monumentos en trminos del costo aproximado, multipath y atributos fsicos, est en el sitio web de la UNAVCO y son reproducidos aqu (ver tabla 1). Un atributo comn, que es visible en la tabla1 para la mayora de los monumentos "excelentes", es que estas instalaciones son difciles y toman mucho tiempo por la logstica e instrumentacin. An el vstago de acero inoxidable instalado en la roca madre, aunque pareciera como una instalacin sencilla, puede requerir una investigacin completa del sitio que utiliza las tcnicas geofsicas como "roca madre", que a veces no es lo que aparece ser. El monumento de tipo edificio no se lista, pero actualmente es de un tipo que se debe aadir a la lista. Si uno conecta un monumento geodsico a un edificio, el edificio hace parte de las deformaciones captadas por la antena en el monumento. La tabla que aparece en la siguiente pgina, provee un resumen de varios tipos de monumentos usados por la comunidad GPS bajo las pruebas con la comunidad de UNAVCO. Todos los monumentos requieren montajes de antena separados.

El costo puede variar dependiendo de las condiciones del sitio y la cantidad de material.

Tipo de monumento Caractersticas Sitios Diagramas & Links

Rebar Reinforced Concrete Pillar

UNAVCO, NGS, CORS

Long Term Survivability, Good for non-bedrock installations,

Low cost

PAS1, PUB1, PUB2

Monumento

Pipe for Monument

WDCA Concrete Monument

C Bar Reinforced Concrete Pillar

NGS, CORS

Long Term Survivability, Good for non-bedrock installations,

Low cost

MYT1, MYT2

CORS Monument (pdf)

CORS Mon. App A (pdf)

CORS Mon. App B (pdf)

Short Drilled Braced

SCIGN, PANGA, UNAVCO, BARGEN

Good for remote bedrock installations, Long Term Survivability,

Low cost

SC02, HALY

UNAVCO's Short Braced

Short Braced Tutorial

SCIGN's Short Braced

PANGA's Short Braced

Stainless Steel GPS Pedestal,

WCDA

Long Term Stability Minimal effects from solar radiant heating

NTKA

Overview Base Plate and Grout

Installation Security Mechanism

INVAR rod encased in concrete Low thermal expansion

Low Multipath Good Stability

RBUT

Red Butte, Utah

Greenland

Yellowstone

Deep Drilled Braced

SCIGN, BARGEN, PANGA, BARD

Good for bedrock and non-bedrock installations,

High cost CSST, Deep Drilled Braced

Tabla 1. Tipos de monumentos. Tomado de.www.unavco.com Bsicamente son 2 los tipos de monumentacin que se utilizan, independientemente del montaje sobre roca o sobre edificios para fines geodsicos convencionales y los tipos de redes a usar:

- Estructura de hormign (generalmente pilar con base cuadrangular) y elemento metlico (anticorrosivo como aluminio o material tratado no deformable) de rosca estndar 5/8 para centrado forzado.

- Estructura metlica de muy diversos tipos: vstago, torre, etc.

Para todos los casos anteriores se deber garantizar el estndar de calidad contemplado en la guas del IGS (internacional GNSS Service), en cuanto a estabilidad, durabilidad, mantenimiento a largo plazo, documentacin y acceso, y su diseo estructural deber ser coherente con el peso a soportar, para no sobredimensionar ni subestimar la estructura.

Figura 19. Pilar de hormign y estructura metlica sobre base de hormign, Tomado de VII Curso GPS en Geodesia y

Cartografa Cartagena de Indias, Colombia, Junio 2006.TEMA 11. Memorias en medio Magntico Otra solucin, generalmente adoptada, es una mixta como la de la figura del lado derecho, en la que sobre pilar de hormign armado se incrusta el vstago o estructura metlica, de un material INVAR, cuando es posible, sobre el cual va roscada la antena.

En cualquier caso, existen mltiples especificaciones para establecer criterios a la hora de imponer la sealizacin geodsica (Geodetic Bench Marks, NOAA Manual NOS NGS 1; september 1978) y otras especificaciones para estaciones permanentes. Se sugiere ver: (http://www.unavco.ucar.edu/Project_support/ equipment/ permanent_station/monumentation / monumentation.Html).

Para el caso de un diseo propio se puede citar el caso de la monumentacin utilizada en la fase 3 de la Red de Estaciones Permanentes MAGNA-ECO en Colombia, donde se definieron dos tipos de monumentacin con diferentes dimensiones, variando la altura para garantizar el horizonte de la antena, basados en la visita exploratoria del sitio.

a. Monumentacin sobre pilastra en concreto

Figura 20. Imagen tomada de: Memorias contrato fase 3 Magna-Eco, Contrato PNUD IGAC, Topoequipos S.A

b. Monumentacin sobre mstil anclado lateralmente

Figura 21. Imagen tomada de: Memorias contrato fase 3 Magna-Eco, Contrato PNUD IGAC, Topoequipos S.A

6.3 SEGURIDAD

El concepto de seguridad del equipamiento se considera de dos formas: en primer lugar, de estar protegido contra robo por ladrones especializados y el segundo, de la seguridad en garantizar la buena recepcin de la seal, el tendido del cableado al receptor, la proteccin contra descargas elctricas y condiciones atmosfricas especiales.

6.4 SUMINISTRO DE ENERGA. El emplazamiento queda limitado por la necesidad de dos factores fundamentales: la energa elctrica y las comunicaciones con la estacin. La continua renovacin tecnolgica hace que estos elementos, sobre todo el de las comunicaciones, no sea un limitante en el emplazamiento. Por ejemplo, en un rea remota se puede utilizar una fuente de energa completamente autnoma, pueden ser paneles solares fotovoltaicos o mecanismos de energa elica. Adicionalmente, las estaciones tienen un sistema auxiliar de alimentacin elctrica en caso de fallo o corte, con el software correspondiente para cerrar ordenadamente el sistema informtico cuando se agoten las bateras llamadas UPS (Uninterruptible power system)

6.5 COMUNICACIN

Este es un factor fundamental para hacer autnoma una estacin permanente, de tal forma que exista una auto descarga regular (diaria) de datos y envo de los mismos a un centro de control. Al mismo tiempo exige que se pueda establecer desde el centro del control la gestin informtica necesaria para instalar software y gestionar el equipo GPS. Dependiendo de la aplicacin, existen amplias posibilidades en cuanto a la comunicacin remota.

Las ms utilizadas tienen que ver con la comunicacin que tienen la mayora de las estaciones con el centro de control va Internet, con distintas aplicaciones informticas. Otra posibilidad es mediante lnea telefnica convencional. En cualquier caso se puede establecer una clasificacin en comunicacin por: 9 Antenas (radio y celular), prcticamente no se usa para estaciones permanentes,

debido a la limitacin del alcance, nicamente pueden ser tiles para arrays de antenas concentradas en una zona concreta, generalmente para monitorizacin de laderas o fenmenos naturales. A su vez pueden ser omnidireccionales o direccionales (mayor alcance).

9 Lnea celular con MODEM, con incremento de costo de comunicacin, aunque verstil

y adaptado a todas las circunstancias. La telefona de tercera generacin puede solventar en parte la limitacin de velocidad de transmisin.

9 Lnea telefnica convencional. 9 Radio MODEM, limitado en el alcance de transmisin, (2.4 19.2 kbps) compatible con

salida RS232. 9 Comunicacin va satlite VSAT (Very Small Apertura Terminal), de alto costo en la

implantacin y mantenimiento.

6.6 EQUIPOS

Existen unas especificaciones tcnicas bsicas a la hora de elegir los equipos CORS, dependiendo el tipo de red que se quiera implementar y las necesidades del proyecto.

Existe en el mercado mundial equipos con diversas caractersticas. Ver en los anexos, los catlogos de equipos con lo ltimo en tecnologas.

6.6.1 Receptor Generalmente las marcas comerciales que ofrecen este tipo de receptores GPS geodsicos, tienen unas caractersticas comunes, de tal forma que el receptor GPS debe reunir las siguientes funciones: 9 Capacidad de recibir cdigo y fase en ambas frecuencias L1 y L2, est o no activado el

antispoofing. 9 Recuperacin completa de las frecuencias L1 y L2. 9 Seguimiento en canales independientes de al menos 12 satlites en las dos

frecuencias. 9 Memoria interna amplia, de tipo cclica. 9 Intervalo de toma de datos desde 0.5 segundos. 9 Varios puertos serie de comunicacin independiente, para diferentes accesorios. 9 Posibilidad de salida de mensajes RTCM para DGPS en cdigo y fase. 9 Calidad contrastada del reloj del receptor, con sincronizacin a un milisegundo. 9 Discriminacin de seal multicamino o multipath, para reducir su efecto. 9 Eliminacin de interferencias en RF (radiofrecuencia). 9 Software que permita el control y gestin del receptor, adquisicin de datos con

muestreo independientes para cada puerto, posibilidad de comunicacin directa, acceso a memoria etc.

9 Reformateo de datos originales a formato RINEX. 9 Que cumpla las especificaciones de IGS en cuanto a denominacin de ficheros, tipo

de receptor y antena. 9 Posibilidad de eleccin de los observables que se incluirn en los archivos RINEX. 9 Posibilidad de auto arranque y grabacin de datos del receptor, en caso de fallo de

alimentacin elctrica, de forma automtica. 9 Programacin de diferentes sesiones de observacin en receptor. 9 Posibilidad de descarga de datos de memoria interna sin detener la grabacin

continua.

9 Posibilidad de entrada de patrn de frecuencias externo, para mejorar calidad de reloj

del receptor. 9 Actualizacin contnua de firmware. Prcticamente son cuatro las marcas que disponen de receptores geodsicos de calidad contrastada para esto fines: Topcon, Trimble. Thales Navigation (Ashtech) y Leica.

Figura 22. .Antena ChoKe Ring y receptores Astech. Imagen Tomada de VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa Cartagena de Indias, Colombia, Junio 2006.TEMA 10. Memorias en medio magntico

6.6.2 Antena Tan importante es la antena como el receptor en los equipos, de tal forma que es esencial tambin que cumplan con unos mnimos requisitos tcnicos. El IGS establece unos estndares y propone unas antenas tipo, de las cuales se han obtenido sus calibraciones. 9 Antena geodsica con anillos de tipo Choke Ring (o anillos de choque) para

eliminacin de efecto multicamino. 9 Elemento Dorne Margolin. 9 Eliminacin de interferencia en RF.

9 Calibracin de los centro de fase para cada frecuencia y en funcin de la elevacin y acimut de satlite.

9 Elementos mecanizados de precisin desde un bloque de aluminio slido. 9 Montaje en carcasa con posibilidad de orientacin de la antena. 9 Cono desmontable de proteccin para eliminacin de nieve, suciedad, etc.

Figura 23. .Diagrama de antena Choke Ring. Tomado de VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa Cartagena de Indias, Colombia, Junio 2006.Tema 10. Memorias en medio magntico

En la siguiente figura se puede observar la calibracin de la antena TRM22020, donde se ven las alturas a los centros de fase desde la parte inferior de la carcasa y la variacin de estos con respecto a la altura de los satlites.

Figura 24. Antena Choke Ring Topcon CR-4. Imagen tomada de: www.topconpositioning.com

6.6.3 Cables de antena.

Un estndar de cableado para una red oscila entre 10 metros a 30 metros, en el caso de que la conexin del receptor al rack de comunicaciones para el Internet, se separe de la antena mas de 30 metros, se recomienda usar un amplificador de seal que puede provenir del mismo fabricante de los equipos.

Se pueden obtener cables para antena de mas de 100 metros pero no son recomendables debido a la perdida de seal, adicionalmente que son mas costosos que los convencionales.

Figura 25. Amplificador de lnea. Tomado de proyecto Magna Eco Fase 3. Archivo Personal

6.7 PROTECCIN A TIERRA Y CONDICIONES AMBIENTALES

Si la estacin de referencia est en un rea de alta exposicin a tormentas elctricas, como es natural en alguna poca del ao, es necesario realizar una instalacin de proteccin a tierra.

Convencionalmente las protecciones a tierra se hacen mediante un pararrayos, si la monumentacin es sobre edificios, resulta benfico, tanto para la estructura del edificio como para la antena y deber ser instalada y recomendada por un especialista.

En el caso de las instalaciones de redes con fines geodinmicos sobre tierra e incrustaciones de roca, se puede utilizar un sistema de resistencia al suelo con hidrosolta, actualmente utilizado en Colombia por el Ingeominas.

En todos los casos se recomienda la asesora de un especialista, que garantice la conexin y la medicin de la resistividad del suelo mediante un dispositivo MEGER.

6.7.1 Proteccin a condiciones atmosfricas Surge Arrestor

Un supresor de picos de descargas directas o surger arrester, es un pequeo dispositivo que se coloca con del cable de conexin entre la antena y el receptor.

El dispositivo protege al receptor y cualquier equipo conectado al receptor como por ejemplo un computador, de descargas elctricas causadas por subidas de voltajes repentinas, pero no protege la antena GPS o GNSS de la descarga.

La UNAVCO a probado muchos dispositivos y recomienda el HUBER+SUHNER Lightning Protector: Modelo 3402.17.K con capsula de gas.

Figura 26. Surger Arrester. Tomado de Datasheet Huber Suhner.

6.8 ADMINISTRACIN

El software que incluye una estacin permanente GPS puede variar mucho en funcin de las caractersticas de la misma, sobre todo en lo que se refiere a comunicaciones, operatividad, finalidad, etc., pero una estacin tipo tendr:

9 Sistema operativo, preferentemente de disponibilidad de diferentes usuarios de red y comunicacin, verstil, con posibilidad de arranque automtico de servicios. Normalmente se utilizan para PC, Windows NT o 2000 y Linux.

9 Control de la estacin, generacin, borrado, manipulacin de archivos, programacin

de sesiones, visualizacin de sucesos, etc. Este software suele ser especfico de la marca y permitir la gestin de los ficheros, formatos, cabeceras de RINEX, denominacin de los ficheros, intervalo de toma de datos, autoborrado temporal y todas aquellas operaciones que puedan optimizar el funcionamiento autnomo de la estacin.

9 Descarga manual de archivos de la memoria interna del receptor, en caso de corte

elctrico al PC. 9 Control remoto del receptor desde el PC para cambio de configuracin del receptor y

manipulacin de controles bsicos. 9 Control del sistema de alimentacin elctrico suplementario, para cierre ordenado del

sistema operativo y reinicio en caso de fallo elctrico. 9 Servidor de Internet, ftp o cualquier otro protocolo de comunicacin con el PC de

control de la estacin. 9 Comunicacin y acceso remoto con el PC, para comunicacin remota desde la

estacin de control con el PC de la estacin permanente. Esto se puede realizar o bien a travs de lnea telefnica o bien a travs de Internet, con cualquier protocolo de comunicacin.

9 Tratamiento de archivos GPS:

o Paso de formato original a formato independiente RINEX o Compresin a formato Hatanaka de los archivos RINEX (formato

comprimido especial para archivos GPS). o Comprobacin de calidad (Quality check).

Batchs de ejecucin peridica y diversas utilidades de gestin.

FORMATO RINEX (Receiver independent exchange format).

Es un formato estndar ASCII para intercambio de informacin GPS presentado en el V Simposio Geodsico Internacional de Mxico, por el Astronomical Institute of the University de Berna en 1989, para intercambio de ficheros entre las agencias europeas. La primera versin de Rinex solamente transformaba datos de posicionamiento estticos, posteriores versiones incluyeron el esttico-rpido, pseudocinemtico y cinemtico.

Todos los receptores geodsicos registran una serie de observables:

- La medida de fase de 1 o 2 portadores entre la seal recibida del satlite y la seal generada por el receptor.

- La medida de pseudodistancia (cdigo), equivalente a la diferencia del tiempo de recepcin y el tiempo de emisin de la seal.

- La observacin de tiempo del reloj del receptor en el instante de recepcin de las medidas de cdigo y fase.

En cualquier software de postproceso, nicamente se necesitan estas variables adems de la informacin relativa a la estacin. El formato consta actualmente de 6 tipos de ficheros ACII:

1. Observacin Data

2. Navigation Message

3. Metereological Data

4. Glonass Navigation Message

5. Geo Navigation Message

6. Satellite and Receiver Clock Date

El fichero consta de una cabecera (header) y una seccin de datos. La informacin se refiere a todo el fichero, se coloca al principio del mismo y contiene etiquetas que describen el tipo de informacin que se encuentra a la izquierda de la misma en la lnea, son obligatorias y deben aparecer exactamente como se describe en los ejemplos.

Los observables GPS van expresados en tiempo, fase y pseudodistancia:

Tiempo. Es el tiempo de la medida en el receptor de las seales recibidas, igual para medidas de pseudodistancia (cdigo) y fase y el mismo para todos los satlites observados en esa poca. Se expresa en tiempo GPS (no UT).

Fase. Es la medida de la medidora de fase en ciclos enteros en L1 y L2. Los receptores con medicin de cuadratura de medios ciclos deben convertir la medida a ciclos enteros en la cabecera.

Pseudodistacia (Pseudorange, PR). Es la distancia incorporada (expresada en metros) desde la antena del receptor a la antena del satlite incluyendo estados de reloj (offsets) y otros errores como los retardos atmosfricos.

PR =distancia + C*( receiver clock offset- satellite clock offset + otros errores)

Los observables no estn corregidos de efectos externos como refraccin atmosfrica o estados de reloj. Debe mantenerse la consistencia de las 3 observables( fase, pseudodistancia y tiempo).

Para la denominacin de ficheros se usa la nomenclatura ssssdddf.yyt.

SSSS. Nombre de la estacin (4 caracteres)

DDD. Da juliano.

F. Seccin. ( 0 para una seccin que ocupe todo el da)

YY. Ao

T. Tipo de Fichero

O. Observation

N. Navigation

M. Metereological date file

G. Glonass navigation file

H. Geostationary GPS payload nav mess hile

Para observaciones geodsicas de precisin o en estaciones permanentes GPS, conviene establecer un protocolo de chequeo de calidad de los observables de un fichero GPS. Las redes mundiales de estaciones permanentes GPS chequean sus observables y junto con los datos disponen tambin del fichero sumario, resultante del chequeo(*yys) normalmente resumido. Una herramienta muy til en esta tarea es TECQ de UNAVCO(http://www,unavco.org)

6.9 DOCUMENTACIN

Es necesario tener una exhaustiva documentacin acerca de la estacin permanente, continuamente actualizada y con toda la informacin necesaria para que otros usuarios puedan aprovechar los datos proporcionados. Muchos han sido los formatos propuestos y utilizados por diferentes organismos, pero el IGS (International GNSS Service) ha impuesto un formato final de documentacin para las estaciones que forman parte de su red mundial y que ha sido acogido finalmente por todos los organismos de densificacin regional de la misma (EUREF, en Europa). Est dividido en diferentes apartados, con toda la informacin relativa a instrumentacin, cambios, denominacin, fechas, personas de contacto, etc. Ver anexos

6.10 FUNCIONAMIENTO GENERAL DE LOS CENTROS OPERACIONALES DE IGS El camino recorrido hasta que una estacin GPS est plenamente integrada en las redes globales de IGS es complejo, desde su proyecto e instalacin hasta que los datos empiezan a ser enviados y procesados por los diferentes centros de anlisis. Los centros operacionales son los responsables de: 9 La descarga de los datos originales de la estacin 9 El archivo de los datos originales 9 El reformateo de los datos de cada estacin a un formato universal (RINEX) 9 El chequeo de calidad de los datos una vez pasados a RINEX. Se suele utilizar el

software Quality Check de UNAVCO, chequeando al menos:

o -El nmero total de observaciones (cdigo, fase). o -Las observaciones (saltos de ciclo, perdidas) o -El nmero de satlites observados. o -La fecha y los tiempos de observacin. o -Datos de la cabecera del RINEX: nombre estacin, antena-receptor, altura

de antena, etc.

9 La generacin de mensajes de estado (condiciones anormales), mediante el anuncio a

travs del sistema de distribucin de correo de EUREF. 9 Los contactos en caso de alerta-mantenimiento en el sito de la estacin. 9 La descarga de los datos al centro de Datos (horaria y/o diaria). 9 Formato de los datos y flujo.

Los datos de las estaciones de las redes IGS pueden ser diarios (24 horas) o bien horarios (24 ficheros horarios cada da) en formato RINEX, con un fichero de observaciones y otros de mensajes de navegacin. Desde cualquier formato de marca de GPS (Trimble, Ashtech, Leica ), siempre se ha de disponer el software correspondiente de paso a RINEX. Una completa descripcin del formato RINEX puede encontrarse en: ftp://iqscb.jpl.nasa.gov/iqscb/data/format/rinex2.txt.

La cabecera del fichero contiene la informacin fundamental acerca de las coordenadas aproximadas, nombre de la estacin, intervalo, altura de antena, etc. Toda esta informacin ha de chequearse exhaustivamente siguiendo las convenciones establecidas en cuanto a su formato estandarizado. Los ficheros necesarios para enviar al centro de datos son: 9 Los ficheros diarios de observaciones entre las 00:00:00 y las 23:59:59 de tiempo GPS.

El intervalo de toma de datos adoptado es de 30 segundos. En caso de observaciones originales con menor intervalo, es necesario filtrar los datos. no se pone mscara de observacin en cuanto a la altura de los satlites.

9 El fichero de mensaje de navegacin, que contiene todos los mensajes con el

TOC/TOE (Tiempo de reloj y tiempo de efemrides) en caso de varias estaciones de una red local que coordina un solo Centro Operacional, se puede hacer un nico fichero de navegacin de todas las estaciones.

9 Un fichero en formato RINEX de datos meteorolgicos, en caso de que la estacin

est equipada con sensores meteorolgicos de precisin. 9 Opcionalmente se pueden enviar los sumarios del software de chequeo de calidad de

datos, o bien se almacena en el propio Centro Operacional. 9 Para minimizar, en primer lugar el espacio requerido para almacenar toda la

informacin y en segundo lugar, para ahorrar en los tiempos de transferencia de ficheros, el fichero RINEX es comprimido antes de ser enviado al centro de datos:

9 Los ficheros de navegacin, de datos meteorolgicos y el sumario del Quality Check

(QC), son comprimidos usando un compresor estndar (zip) o el programa de compresin en un formato UNIX.

9 El fichero de observacin tiene una doble compresin: en primer lugar en formato

Hatanaka, que es el estndar del IGS, una compresin especial para los ficheros RINEX y despus una compresin con el compresor universal (de UNIX o de DOS).

El software de compresin y descompresin y descompresin para distintos sistemas (PC/DOS, VAX Y VMS) est disponible en ftp://ftp.epncb.oma.be/pub/software/compress para compresin UNIX y en ftp://ftp.epncb,oma.be/pub/software/rnxcmp para la compresin Hatanaka. Tambin en las pginas de software de IGS, UNAVCO, IfAG, etc. (Takas, B. et al. 2002).

Los distintos formatos de los ficheros diarios resultantes son:

Tabla 2. Formato de fichero.Tomado del VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa, Cartagena-Colombia 2006, Memorias en medio magntico

Siendo:

9 ssss: el cdigo de 4 caracteres de la estacin 9 ddd: da juliano 9 yy: ao 9 f: secuencia del fichero dentro del da. Es 0 se es un fichero diario y un carcter

alfabtico(desde la a hasta x si es un fichero horario):

La extensin yyD (UNIX) o yyE (DOS) indica los ficheros Hatanaka comprimidos. Los ficheros comprimidos finales son binarios, y como tal han de enviarse en la transferencia de ficheros, con el protocolo ftp. Los ficheros horarios son descargados tan pronto como sea posible despus de su generacin. Lo normal es que sea 10 minutos despus, mientras que los diarios depender del grado de automatizacin de la estacin y de la disponibilidad de tipo de comunicacin. Generalmente el envo al centro operacional y posteriormente, al centro de datos, se realiza durante la madrugada despus de la generacin del archivo diario correspondiente. La disponibilidad de los datos y el tiempo de llegada se pueden ver en unas tablas que se generan mediante una utilidad del centro de datos (igs.ifag.de/IGS/obs/2002/000_CHECK_IMPORT):

Tabla 3. Fichero de datos y tiempo. Tomado del VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa, Cartagena-Colombia 2006, Memorias en medio magntico En la tabla generada con la utilidad, figura el cdigo de estacin (4 caracteres) y en eje vertical, el ao y el da juliano. Un punto indica la ausencia de los datos, y el 1, que ha llegado antes de las 12 h, el 2 abres de las 24h y as sucesivamente hasta llegar a caracteres alfanumricos (desde A hasta F) o finalmente, un * si excede de los 8 das. Una tabla similar existe para la comprobacin de existencia de ficheros horarios. Una vez los datos han llegado al centro de datos, se realiza un chequeo automtico en lo que concierne a inconsistencia entre la cabecera del RINEX y el informe de la estacin (log site inform) de la estacin correspondiente, de tal forma que no pueda haber otra altura de antena, receptor, etc. Si esto sucede, el responsable de la estacin es avisado mediante correo y el fichero de datos no pasar en el servidor a su lugar correspondiente.

7. APLICACIONES GPS 5

En este captulo se hace una relacin de los principales campos de aplicacin del GPS, con algunos casos concretos. Las aplicaciones fundamentales inciden en el campo de la geodesia, topografa y cartografa. Hay que tener en cuenta adems, que el GPS es un sistema de uso mltiple y abarca todo tipo de trabajo que requiera determinar la posicin, tiempo o direccin de movimiento en cualquier punto de la tierra y cualquier condicin meteorolgica. 7.1. GEODESIA En el campo de la geodesia, son muchas las aplicaciones, podemos mencionar entre otras las siguientes:

-Formacin y observacin de nuevas redes geodsicas. - Densificacin

-Control y mejora de redes. - Determinacin y ajuste del geoide. - Determinacin de los parmetros de rotacin, movimiento del polo, definicin y mejora de Marcos y Sistema de Referencia (ITRF)todos los productos del IGS. - Monitoreo de maregrafos en tiempo real.

Ejemplo: determinacin directa del geoide con GPS. Con el uso masivo del GPS, la importancia del conocimiento del geoide (geodesia fsica) ha vuelto a recobrar una gran importancia. El conocimiento prctico de perfiles del geoide combinando observaciones de nivelacin y GPS, no presenta ningn problema complejo, de forma que entre dos puntos P y Q en los que se ha realizado observaciones GPS, la diferencia de ondulacin del geoide entre los puntos P y Q vendr dada por:

5 Tomado del VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa, Aplicaciones GPS, tema 13. Cartagena-Colombia 2006, Memorias en medio magntico

( ) )()() pQpQPPQQPQPQ HHhhHhHhNNN ===

donde: N = ondulacin geoidal h=altura elipsoidal

H= altura orthomtrica Precisin a priori El error medio cuadrtico en la determinacin del PQN vendr dado por:

22 HhN SSS +=

Para una de las lneas base de unos 10 kilmetros, la precisin de GPS, aunque depende de infinitos factores y del mtodo elegido, como se ha visto anteriormente, puede ser de 2 o 3 cm., mientras que la precisin de la nivelacin, llega a ser de 1cm, siendo el error medio cuadrtico final en el punto.

Lo cual pone en evidencia la potencia del mtodo para la determinacin de un geoide de precisin.

Figura. 27. Modelo de geoide con GPS y nivelacin. Tomado del VII Curso GPS en Geodesia y Cartografa, Aplicaciones GPS, tema 13. Cartagena-Colombia 2006, Memorias en medio magntico

Estimando los valores de N en los puntos con doble juego a altitudes, se puede extrapolar mediante algn mtodo estadstico a una malla regular de puntos (grid) para su posterior explotacin. 7.2. GEODINMICA

En el estudio de los diferentes procesos dinmicos, que han transformado la tierra se pueden realizar aplicaciones como son:

9 Estudios locales de corrimiento de laderas y monitoreo de accidentes geolgicos

inestables. 9 Definicin de campos de velocidades de las placas terrestres.

9 Estudios de variacin del nivel medio del mar.

9 Estudios de rebote postglacial

9 Anlisis de deformaciones y supervisin local de deformaciones y movimientos

verticales. 9 Asentamientos de terreno en zonas de minas o campos petrolferos.

9 Monitoreo de volcanes, sismos y glaciales.

Ejemplo: uso de GPS para control de movimientos en plataformas petrolferas en alta mar.

La despresurizacin de un yacimiento marino por la extraccin de petrleo o gas puede causar el hundimiento del lecho marino. Shell ha montado en sus plataformas del Mar del Norte receptores geodsicos permanentes para su evaluacin continua. Se hace un clculo con estaciones fijas en la costa noruega (baselneas superiores a 1000Km.). Objetivo: detectar el 99% de los movimientos verticales > 3cm. (0.1% tolerancia de falsas alarmas) y el 50% de los movimientos verticales > 1cm. (10% tolerancia falsa alarmas). Se ha desarrollado un procedimiento completamente automatizado, con clculo conti