Especificaciones técnicas para levantamientos con GPS

Ing. Benoit FROMENT
Especificaciones Técnicas 3
MANUAL 3
RED GEODESICA NACIONAL Y UTILIZACION
DE LOS GPS PARA LEVANTAMIENTOS TOPOGRAFICOS
CONTENIDO
PAGINA
1 – INTRODUCCION................................................................................................................................
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2 – RED GEODESICA NACIONAL..........................................................................................................
2.1 – Breve reseña.......................................................................................................................
2.2 – Antigua red nacional...........................................................................................................
2.3 – Nueva red nacional.............................................................................................................
2.3.1 – Red de Referencia Salvadoreña (RRS)..............................................................
2.3.2 – Red Básica Salvadoreña (RBS)..........................................................................
2.3.3 – Red de Densificación Salvadoreña (RDS)..........................................................
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3 – RECEPTORES GPS..........................................................................................................................
3.1 – Receptores de navegación.................................................................................................
3.2 – Receptores de posicionamiento mono frecuencia..............................................................
3.3 – Receptores de posicionamiento doble frecuencia..............................................................
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4 – OBSERVACIONES DE CAMPO.......................................................................................................
4.1 – Procesos comunes a los levantamientos con GPS............................................................
4.1.1 – Calibración..........................................................................................................
4.1.2 – Instalación...........................................................................................................
4.1.3 – Recomendaciones..............................................................................................
4.2 – Métodos de levantamientos con GPS................................................................................
4.2.1 – Método estático..................................................................................................
4.2.2 – Método estático rápido.......................................................................................
4.2.3 – Método de reocupación......................................................................................
4.3 – Precisión................................................................................................................ .......
5.2 – Compensación...................................................................................................................
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6 – GLOSARIO........................................................................................................................................
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1 – INTRODUCCION
Este manual procura servir de ayuda y orientación en la adopción de tecnologías avanzadas y revolucionarias
como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para la ejecución de tareas profesionales topográficas
dentro del campo del Catastro.
Para poder utilizar correctamente y eficientemente el GPS es necesario un conocimiento adecuado de esta
tecnología, que es recomendable poseer antes de leer este manual, que no pretende ser un libro de texto sobre
el tema sino que sólo procura encontrar pautas comunes que permitan una mayor racionalidad en el
aprovechamiento integral del sistema. De cualquier manera, el lector encontrará un glosario de los términos
más comunes referidos a los diversos aspectos técnicos del GPS, que podrá ser utilizado para unificar
interpretaciones sobre los temas tratados.
Es indudable que la gama de aplicaciones del GPS es muy amplia, y que con este sistema pueden alcanzarse
objetivos sumamente ambiciosos en materia de precisión, rapidez y economía. Sin embargo, está claro que si
no se utiliza la modalidad apropiada, el instrumental adecuado y el procesamiento correspondiente a cada
objetivo, los resultados podrían ser parcial o totalmente incorrectos. Este riesgo ha sido una de las principales
motivaciones de escribir esta guía, con la esperanza de ayudar a los topógrafos catastrales que necesitarán
recurrir al GPS.
Otro aspecto a tener en cuenta es la relación de los resultados GPS con los sistemas de referencia y las
proyecciones cartográficas utilizadas en el mundo y más específicamente en nuestro territorio salvadoreño. Eso
requiere nociones básicas sobre la red nacional geodésica que este manual pretende recordar.
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2 – RED GEODESICA NACIONAL
2.1 – Breve reseña
El Instituto Geográfico Nacional (IGN) en un inicio desarrolla su información geodésica dentro del marco de
referencia de “Ocotepeque”, datum establecido con observaciones astronómicas en la república de Honduras
para la región, posteriormente decide adoptar como definitivo el Datum Norteamericano de 1927 (NAD27 para
Oeste Centro América), asociado al Elipsoide de Clarke de 1866 con propósitos mayoritariamente cartográficos.
Con ello fue posible sustituir y completar cubrimientos del país en las escalas de representación básicas.
2.2 – Antigua red nacional
A lo largo de la historia en El Salvador se han llevado a efecto diversos trabajos orientados a la determinación
de la forma y dimensiones del territorio nacional, siendo la base de estos la geodesia.
Dichos trabajos han dado origen a la construcción de cadenas geodésicas materializadas como puntos sobre el
terreno (monumentos estables), con mayores o menores densidades de cobertura, triangulaciones de distintos
ordenes de precisión, conformando con ello la Red Geodésica Nacional. Para estos trabajos se utilizaron
procedimientos aplicables en su momento, como: Métodos de triangulación geodésica, sistemas de
poligonación geodésica, trilateración y métodos de posicionamiento Doppler entre otros.
Esta primera red geodésica nacional estaba constituida por tres arcos principales de triangulación (arco norte,
central y costero) con lados de 20 a 70 Km, de donde se derivaban cadenas de segundo y tercer orden
establecidas para proyectos específicos (como estudios de carreteras, desarrollo hidroeléctrico, aeropuertos,
irrigación y drenaje, estudios portuarios y para el catastro nacional) con una densidad de una estación cada tres
y medio km²; teniendo amarre a la red geodésica latinoamericana.
Estos vértices fueron observados y monumentados en los años sesenta. Sin embargo, debido a la guerra que
sufrió El Salvador y a diferentes terremotos destructores muchos de ellos ya no existían.
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2.3 – Nueva red nacional
El Centro Nacional de Registros en su proceso de modernización, actualización y mejoramiento dio inicio un
proyecto de establecimiento de una nueva Red Geodésica de El Salvador (RGES), empleando tecnología de
posicionamiento GPS en el marco de referencia WGS-84. Esta nueva red esta conformada por:
•
la Red de Referencia Salvadoreña (RRS)
•
la Red Básica Salvadoreña (RBS)
•
la Red de Densificación Salvadoreña (RDS)
2.3.1 – Red de Referencia Salvadoreña (RRS)
La RRS esta conformada por tres vértices: Soledad, Escorpión y San Diego, medidos durante ocho horas por
nueve días en el año de 1998, los cuales fueron calculados por National Imagery and Mapping Agency (NIMA).
Dichos cálculos fueron realizados, a partir de cuatro estaciones GPS en operación constante (CORS): GALA,
BOGT, CRO1 y MDO1. Estos tres vértices han sido vinculados con la estación CORS ubicada en el Aeropuerto
de Ilopango, la cual se denomina SSIA y actualmente forma parte de la RRS.
2.3.2 – Red Básica Salvadoreña (RBS)
Al final del año 1998, se han medido con GPS 16 puntos medidos durante ocho horas por dos días. Estos
vértices se encuentran cubriendo todo el territorio y forman la RBS. Dichos vértices se apoyan sobre Soledad,
Escorpión y San Diego.
2.3.3 – Red de Densificación Salvadoreña (RDS)
La RBS ha servido de apoyo para la densificación de los departamentos del Oeste y de la parte central del país.
Esta densificación de vértices separados a una distancia de 15 km sirve de base geodésica para el proyecto de
Modernización del Catastro y para los levantamientos futuros. Actualmente, se están densificando los
departamentos del este y del Norte del país. Cada vértice de la RDS es medido con GPS durante un tiempo
aproximado de dos horas y media.
Además, a fin de facilitar al topógrafo el amarre y orientación de cualquier levantamiento, se acostumbra dejar
un punto monumentado MKZ (Marca azimutal), punto medido con GPS y ubicado a unos 500 metros de cada
vértice geodésico.
Todos estos puntos geodésicos están disponibles en el Instituto Geográfico Nacional.
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3 – RECEPTORES
El sistema GPS está constituido por tres "segmentos": el espacial, el de control y el del usuario. Los distintos
tipos de receptores disponibles en el mercado para uso civil constituyen la parte esencial de este último.
Los receptores GPS cubren las más diversas posibilidades de aplicación de este sistema. Ordenándolos de
menor a mayor prestación, se los puede clasificar en:
• Los receptores de navegación
• Los receptores de posicionamiento mono frecuencia
• Los receptores de posicionamiento doble frecuencia
3.1 – Receptores de navegación
Estos receptores representan la categoría más económica. Son receptores usualmente de tamaño pequeño y
portátiles. Presentan en su pantalla coordenadas geográficas en el sistema WGS84. Algunos traen también la
posibilidad de presentar coordenadas en los sistemas locales. Debe tenerse en cuenta que, debido a que estos
equipos no son aptos para el uso de las técnicas diferenciales (Un solo receptor es necesario), la precisión que
alcanzan no supera los ± 10 m. Algunos agregan a las características anteriores la de almacenar en memoria
los datos observados de manera de facilitar el procesamiento ulterior de los mismos.
Actualmente, la unidad de Geografía del IGN utiliza estos receptores para sus clasificaciones de campo.
3.2 – Receptores de posicionamiento mono frecuencia
Los receptores de posicionamiento funcionan en modo diferencial (dos receptores en lo mismo tiempo). Un
receptor se ubica sobre un punto conocido en coordenadas (receptor BASE) y el otro receptor se desplaza
sobre los puntos a medir (receptor ROVER o MOVIL). Como BASE, se puede ubicar el receptor sobre un vértice
geodésico o se puede utilizar una estación CORS por medio de sus datos INTERNET. La característica mono
frecuencia implica que el receptor recibe solamente la onda portadora L1, lo que significa una capacidad de
resolver ambigüedades menos potente. Los mejores llegan a precisiones submétricas en distancias de hasta 5
ó 10 km, entre los dos receptores (Línea base).
Actualmente, las brigadas del Catastro utilizan estos receptores para sus mediciones de campo.
3.3 – Receptores de posicionamiento doble frecuencia
Los receptores geodésicos de doble frecuencia agregan a las características anteriores la medición de fase de
la portadora L2, lo que les otorga la posibilidad de disminuir la incidencia de ciertos errores sistemáticos,
particularmente los debidos a la propagación de la señal en la ionosfera, lo que permite alcanzar las más altas
precisiones posibles con GPS. Los mejores permiten obtener precisiones subcentimétricas para una línea base
de hasta 10 km.
Actualmente, la unidad de Geodesia del IGN utiliza estos receptores para densificar la red nacional.
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4 – OBSERVACIONES DE CAMPO
El sistema GPS presenta un conjunto de técnicas de localización con diversos niveles de precisión. Los
procesos presentados a continuación se refieren exclusivamente a la utilización de las medidas de fases en las
ondas portadoras emitidas por los satélites del sistema. El tratamiento de estas observaciones se efectúa
obligatoriamente en modo diferencial, de manera que se eliminen los “ruidos” sistemáticos relacionados con los
satélites y los receptores.
4.1 – Procesos comunes a los levantamientos con GPS
4.1.1 – Calibración
Las especificaciones estándares del proceso imponen un control periódico (por lo menos cada 6 meses)
de las diferentes antenas con relación a una antena de referencia.
El procedimiento habitual es el del intercambio de antenas en una línea base de algunos metros,
preferentemente conocida. Las mediciones efectuadas con una redundancia suficiente permiten definir
un “offset” por antena y por frecuencia (L1/L2), asociado a una desviación típica, que se introduce en los
cálculos de las líneas base. El CNR tiene una línea base instalada en San Salvador que otorgará los
certificados de calibración.
4.1.2 – La instalación
La experiencia demuestra que la instalación incorrecta es a menudo el principal motivo de error en los
métodos de posicionamiento con GPS.
CENTRADO: Las antenas se centran con un sistema de plomo óptico controlado con regularidad.
ORIENTACION: Las antenas están siempre orientadas hacia el norte geográfico, obtenido con una
brújula.
ALTURA DE ANTENA: Se efectúan tres mediciones de la distancia oblicua marca/borde del plano de
absorción. Dicha etapa permite controlar la horizontalidad del plano de la antena, así como, en menor
medida, la calidad del centrado. Se ejecutan en dos unidades, centímetros (con una precisión
milimétrica) y pulgada, para evitar el riesgo de un error grave (típicamente el decímetro).
Cada uno de estos tres elementos mencionados se controla al inicio y al final de los períodos de
mediciones.
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4.1.3 – Recomendaciones
En cuanto a las estaciones GPS, deben reunir las siguientes condiciones:
•
La elevación de la máscara se refiere a la menor elevación, en grados, a la que un receptor puede
seguir a un satélite. Se fija normalmente un cielo despejado sobre los 10° desde el horizonte para
evitar los efectos atmosféricos y la interferencia causados por objetos cercanos y los efectos de
multi trayectoria de la onda, aunque la elevación de la máscara standard es de 15°.
•
El uso de GPS no es recomendable en las zonas urbanas, debido a las interferencias como:
• Las instalaciones eléctricas (cables de alta tensión y transformadores)
• Las superficies reflectoras de la señal a menos de 50 metros de la estación (como espejos
de agua, estructuras metálicas, techos planos metálicos, edificios); ya que estos provocan
el efecto multi trayectoria de la onda.
• Las antenas de telecomunicación (radio, televisión, teléfono,...)
•
Se debe asegurar de la configuración correcta de los satélites al momento de las observaciones.
Esta información es dada por el GDOP (Geometric Dilution Of Precision) que corresponde a la
perdida de precisión durante las observaciones. Este GDOP debe ser siempre inferior a 6.
Lo más recomendable en el área urbana es la combinación de equipo GPS con Estación total, en
cuanto a amarres y establecimientos de puntos de control.
4.2 – Métodos de levantamientos con GPS
Los topógrafos deberán utilizar por lo menos 2 receptores GPS (Modo diferencial), para una sesión de
observación cuyo uno debe estar fijo en todos los métodos. El CNR podrá proponer a los usuarios estaciones
fijas con observaciones continuas.
4.2.1 – Método estático
Los receptores se quedan fijos sobre las respectivas estaciones. Es el método de posicionamiento
clásico de observación de medidas de líneas base superior a 15 km con el máximo de precisión. La
medición estática, ha sido durante años el soporte principal de GPS. Es la más sencilla pero la más
lenta; por lo general se requiere de 1 a 2 horas de medición o más según la longitud de las líneas
bases.
A mayor distancia corresponde más tiempo de observación, la relación es directamente
proporcional.
Nota: Esta técnica de medición no es recomendable para levantamientos topográficos, ya que sus usos
es para Geodesia pura como por ejemplo la determinación de redes geodésicas de alta precisión, el
establecimiento de puntos de control, los estudios de deformación de volcanes, etc.
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4.2.2 - Método estático rápido
Este método es una mejora del anterior. La ventaja más importante de este método es la reducción de
las duraciones de observación: 5 a 10 minutos para una distancia de 10 km. Sin embargo, esta técnica
solo alcanza niveles óptimos para distancias relativamente cortas (5 a 10 km), y mediante la utilización
de receptores bifrecuencias.
4.2.3 – Método de reocupación
Este método se utiliza cuando no se puede llevar a cabo el método estático rápido. Se puede utilizar
solamente 4 satélites para cada una de las posiciones búsquedas. Con éste tenemos un poco más
flexibilidad que con el estático rápido pero se tiene que observar cada punto una segunda vez con un
intervalo de por lo menos una hora.
4.3 – Precisión
4.3.1 – Planimetria
Se espera alcanzar precisiones del orden del centímetro, según la longitud de la línea base. Por
seguridad, se aceptarán solamente resultados obtenidos con uno de los tres métodos precedentes,
según los parámetros siguientes:
Método
Estático
Estático
Rápido
Reocupación
Línea Base
(Km)
De 5 a 15
De 15 a 50
De 50 a 100
Superior a 100
De 0 a 5
De 5 a 10
De 10 a 15
De 0 a 5
De 5 a 10
De 10 a 15
Número de
Satélites
4–5
4–5
4–5
4–5
5
5
5
4
4
4
GDOP
<6
<6
<6
<6
<6
<6
<6
<8
<8
<8
Tiempo de
Observación
De 30 a 45 min
De 60 a 90 min
De 1,5 a 2.5 h
Hasta 4 horas
De 5 a 10 min
De 10 a 15 min
De 15 a 20 min
De 5 a 10 min
De 10 a 15 min
De 15 a 20 min
Intervalo
(Seg.)
Precisión
teórica.
15
5
± 1 cm / 5 km
Variable
4.3.2 – Altimetría
La precisión altimétrica generada por GPS es todavía en estudio. Se pretende llevar a cabo el proyecto
sobre la elaboración de una carta de ondulaciones Geoide – Elipsoide, para hacer la transformación de
alturas elipsoidales a ortométricas.
No se debe confundir la altura elipsoidal generada en las mediciones GPS, con las alturas ortométricas
que corresponden a las alturas sobre el nivel medio del mar.
De momento, para todos los trabajos de nivelación, se debe utilizar métodos tradicionales
trigonométrica (con estación total) o diferencial (con nivel), a partir de bancos de marca disponibles en
el IGN.
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5 – PROCESAMIENTO Y COMPENSACION
5.1 – Procesamiento
Cualquiera sea el tipo de receptor y el método de análisis de datos es importante recordar que las coordenadas
calculadas corresponden al centro eléctrico de la antena del receptor, razón por la cual es fundamental medir
con precisión la distancia entre esta antena y la marca que materializa al punto trigonométrico.
El grado de tratamiento que debe darse a las observaciones GPS depende de la precisión buscada y del tipo de
receptor empleado. Todos los receptores realizan algún tratamiento directo de las mediciones y pueden brindar
coordenadas.
En general los datos de una marca de receptores no pueden ser leídos por los programas de cálculo de otra.
Esto ha llevado al establecimiento de normas comunes para todas las marcas y tipos de observaciones
conocidas como Formato de intercambio de datos independiente de los receptores RINEX. Al adquirirse un
equipo es importante, entonces, saber si su software contiene un programa que transforme los datos
correspondientes al formato de la firma en formato RINEX. Esto permitirá que los datos que observa este
receptor puedan ser compatibilizados con otros equipos o transferidos a otros usuarios o ser calculados con
programas científicos que se basan en el formato RINEX.
Por lo contrario si lo que se desea es hacer uso de datos de otra marca de receptores se deberá contar con un
programa que permita transformar los datos en formato RINEX en el formato del programa que se dispone.
5.2 – Compensación
La compensación de las observaciones GPS se ha planteado en diferentes programas con parametrizaciones
más o menos complejas. Estas van desde el simple promedio de coordenadas o componentes vectoriales hasta
determinación de parámetros ligados a la ionosfera y/o la troposfera y algunas constantes instrumentales.
Algunos programas científicos incluyen el mejoramiento orbital.
Desde el punto de vista práctico, los receptores más simples poseen programas que permiten solo un promedio
de las coordenadas instantáneas. Una etapa más rica en información es aquella en el que las componentes
vectoriales son calculadas a partir del conjunto de las observaciones de una línea en la que se incluye además
la matriz de varianza covarianza de las componentes del vector.
Los programas más complejos tratan simultáneamente todos los vectores de una sesión y calculan la matriz de
varianza covarianza entre todas las componentes vectoriales y en general entre estas y las ambigüedades
determinadas.
El uso del programa de compensación adecuado permite obtener el óptimo resultado de las observaciones
efectuadas.
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6 – GLOSARIO
Ajuste de redes: Procedimiento por el cual se someten las observaciones y/o los parámetros de una red
geodésica a una compensación de errores.
Altitud ortométrica (H): La distancia entre el geoide y un punto, medida a lo largo de la línea de la plomada,
llamada también altura sobre el nivel del mar o cota.
CORS (Currently Operating Reference Station): Estación GPS constantemente en operación. El receptor GPS
está ubicado sobre un punto geodésico y envía sus informaciones por medio de una antena enlazada a
INTERNET.
Datum: Dato, o conjunto de datos que sirven de base para el cálculo de otros elementos.
Dilución de precisión (DOP) (Dilution of precision) Coeficientes que caracterizan la influencia de la geometría
de la constelación GPS observada en una estación. Estos coeficientes varían con el tiempo, al variar la posición
de los satélites observados o al cambiar algunos de ellos. Valores DOP elevados significan grandes errores en
la posición calculada a partir de las pseudodistancias. El coeficiente PDOP está relacionado con la posición
tridimensional, el HDOP con la horizontal y el VDOP con la vertical. El TDOP se relaciona con la determinación
del tiempo, y el GDOP combina el PDOP con el TDOP.
Elipsoide de referencia: Un elipsoide de revolución usado como superficie de referencia para los cálculos
geodésicos.
Geoide: Superficie equipotencial del campo de gravedad terrestre que mejor se ajusta, en el sentido de
mínimos cuadrados, a la superficie media del mar.
GPS (Global Positioning System): Sistema de posicionamiento y de navegación que se basa sobre una
constelación de satélites.
NAD 27: (North American Datum) Datum Norte Americano del año 1927
NIMA: (National Imaging Mapping Agency) Agencia Cartográfica y de imágenes de los Estados Unidos.
Nivelación geométrica o diferencial: Determinación de la diferencia de elevación entre dos puntos mediante
reglas graduadas y niveles de burbuja o compensadores.
Nivelación trigonométrica o geodésica: Nivelación efectuada mediante la medición de ángulos verticales y la
distancia que los separa.
MKZ: Punto geodésico que sirve de Marca Azimutal a un vértice geodésico. Los dos puntos son generalmente
espaciados de 500 a 1000 metros.
Ondulación del geoide/altura del geoide/separación geoide-elipsoide (N): La elevación o depresión del
geoide respecto de un elipsoide de referencia. Se relaciona con h y H, a través de la expresión aproximada h =
N + H.
Parámetros de transformación: Conjunto de cantidades que permiten convertir coordenadas dadas de un
sistema a otro: se utilizan básicamente tres traslaciones, a las que pueden agregarse tres rotaciones y un factor
de escala.
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Red básica/Control básico, horizontal o vertical: Posiciones de puntos de control usados como base para los
levantamientos de detalle.
RGES: Red Geodésica de El Salvador constituida de la RRS, la RBS y la RDS.
RRS: Red de Referencia Salvadoreña constituida por 3 vértices geodésicos.
RBS: Red Básica Salvadoreña constituida de 16 vértices geodésicos.
RDS: Red de Densificación Salvadoreña constituida de unos 1500 vértices geodésicos.
RINEX (Receiver Independent EXchange format): Formato de intercambio de datos.
SSIA: (San Salvador Ilopango Airport) Estación salvadoreña CORS ubicada en el aeropuerto de Ilopango.
WGS 84 (World Geodesic Sistem 1984): Es una realización práctica del sistema terrestre con los datos
disponibles en 1984. Fue adoptado por el sistema GPS.
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