Diseño geodésico 1 I ciclo, 2014 José Francisco Valverde Calderón

Diseño geodésico 1 I ciclo, 2014 José Francisco Valverde Calderón Email: jose.valverde.calderon@una.cr Sitio web: www.jfvc.wordpress.com Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Capítulo 5Metodologías satelitarias de medición horizontal Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

5.1 Planificación de campañas de medición Tema visto en el capítulo 1, referente al diseño de redes geodésicas Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

5.2 Ejecución y supervisión Tema visto en el capítulo 2, referente al diseño de redes geodésicas globales Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

5.3 Procesamiento y evaluación Tema visto en el capítulo 2, referente al diseño de redes geodésicas globales Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

5.4 Campos de aplicación • Establecimiento de marcos de referencia • Mantenimiento de marcos de referencia • Geodinámica global • Monitoreo de volcanes • Monitoreo de fallas • Monitoreo de obras civiles • Proyectos de producción cartográfica • Levantamientos topográficos • Replanteos con GNSS Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Sistemas GNSS NAVSTAR-GPS GLONASS GALILEO

Segmentos de un sistema GNSS Segmento espacial Segmento de control Segmento de usuario Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Tipos de receptores y aplicaciones (GPS) Código C/A Navegadores Uso Civil Receptores de código Navegadores Código P Uso militar Mono-frecuencia: SIG, mapeo Topográficos L1 Receptores de código y fase Receptores topográficos y geodésicos Receptores de dos frecuencias: Geodésicos L1 L2 Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Tipos observables (GPS) • Mediciones de código: • Código C/A en L1 • Código C/A en L2C* • Código C/A en L5* • Código P en L1** • Código P en L2** • * = cuando este disponible • ** = código se transmite encriptado • Mediciones de fase de la portadora: • Fase de la portadora L1 (1) • Fase de la portadora L2 (2) • Fase de la portadora L2C (2C)* • Fase de la portadora L5 (5)* • * = cuando este disponible Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Receptores GPS para navegación Equipo GNSS para RTK GPS para mapeo y GIS Equipos GNSS para estaciones de medición continua Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Señales del sistema GPS • Los osciladores en los satélites generan una frecuencia fundamental focon una estabilidad del orden de 10-13s • Las oscilaciones son producidos por osciladores de Cesio y Rubidio. • La fotiene una frecuencia de 10.23 MHz • Dos* señales portadoras de la banda L, denominadas L1 y L2 son generadas por la multiplicación de enteros por fo. • *= la modernización del sistema GPS implica la generación de nuevas portadoras • L1 = 154 fo = 1575. 42 MHz,  = 19.05 cm • L2 = 120 fo = 1227.60 MHz,  = 24.45 cm • Como parte del programa de modernización del sistema, en 1999 se anuncia la emisión en los satélites del bloque IIR y siguientes, de la señal de uso civil denominada L5, con f = 1176. 45 MHz Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Código C/A y P • Código C/A • Significa Coarse/Adquisition. Esta disponible para uso civil, designado para el Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS). • Frecuencia código C/A: fo/10 (1.023 MHz), repetido cada milisegundo. Esto quiere decir que son 1.023 millones de dígitos binarios por segundo • Código P • Es el código mas preciso el cual ha sido reservado para el ejercito de los Estados Unidos y otros usuarios autorizados. El código P, designado para el Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS). • El código P modula a ambas portadoras: L1 y L2 • Se repite cada 266.4 días. • Frecuencia código P = 10.23 Mhz Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Principio del posicionamiento apoyado en satélites • La determinación de la posición (coordenadas geocéntricas [X, Y, Z]Rde un receptor estático o en movimiento sobre o en la cercanía de la superficie terrestre a partir de: La posición del satélite (coordenadas geocéntricas [X, Y, Z]Sconocidas y La distancia s entre el satélite y el receptor (medida a través de microondas) Medición: tiempo de viaje de la onda (S = vt) Incógnitas: el vector posición del receptor [X, Y, Z]R [X, Y, Z]S [X, Y, Z]R Geocentro Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Principio del posicionamiento apoyado en satélites • Inconveniente: • Tiempo de salida de la onda  Reloj del satélite • Tiempo de llegada de la onda  Reloj del receptor • Tiempo del satélite  tiempo del reloj •  Seudodistancias (S  vt) • Incógnitas: • Coordenadas geocéntricas de la estación • Diferencia (desincronización) de los relojes t • Requerido mínimo 4 satélites observados • Requerimiento • Satélites y receptores deben estar en el mismo • Sistema de Referencia • Teorema de Pitágoras: Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Observación simultanea a varios satélites Por el momento, la ecuación contiene 3 incógnitas: 2 Para resolver la ecuación, se requiere al menos 3 observaciones; mas observaciones, sobre-determinan el problema  AJUSTE 3 1 . . . . . . . . Geocentro Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Seudodistancia por código • El calculo de la seudodistancia se efectúa al comparar el receptor recupera del proceso de demodulación con el código que esta recibiendo. Estos están desfasados, por que al lograr correlacionarlos, se determina un Δt (diferencia de tiempo) t Código Satélite Código Receptor Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Seudodistancia por código • Este, multiplicado por la velocidad de la luz, daría la distancia entre el satélite y el receptor. • Si no existiera la atmósfera y los otros elementos que afectan las mediciones con GPS, la seudodistancia por código se podría calcular de la siguiente forma:   Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Seudodistancia por código • El error en el reloj del satélite puede ser modelado con base a los coeficientes que son trasmitidos en el mensaje de navegación. • De esta forma, obtenemos la expresión general para calcular la seudodistancia S: • La anterior ecuación es valida si la única fuente de error fuera el reloj del satélite.    Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Seudodistancia por código • Removiendo el efecto de la ionosfera y troposfera usando modelos adecuados, calculando la corrección para el error del satélite y despreciando el efecto multipath y el desplazamiento entre canales se tiene: • Se tienen tres incógnitas que son las coordenadas geocéntricas del centro de fase de la antena y una cuarta que es el error en el reloj del receptor del receptor. • Es por ello que se requieren al menos cuatro satélites para determinar la posición tridimensional del punto de interés. • Recordar que el error del reloj del receptor se puede eliminar al formar simples diferencias. Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Medición de fase Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Medición de fase Al resolver la ambigüedad, se efectúa la observación de fase N Distancia D Resolver la ambigüedad es fundamental para las mediciones con fines geodésicas, efectuadas en tiempo real Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Levantamiento con GNSS • Los sistemas GNSS son sistema pasivos para el usuario, ya que la “comunicación” se da en un solo sentido, es decir del satélite al receptor. • Este puede estar ubicado en una plataforma colocada en tierra, agua, aire e incluso otros satélites. • Con base la recepción de las señales, los receptores identifican los satélites de los cuales están reciben las señales moduladas • Ocurre un proceso de demodulación, es decir, el receptor separa los códigos, las portadoras y el mensaje de navegación • Al proceso de recibir las señales cuando se enciende el receptor se le denomina “Adquisición” • Dependiendo de las características del receptor, este proceso de adquisición tendrá una determinada duración • En la duración de la adquisición, interviene “la edad del almanaque” Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Levantamiento con GNSS • El usuario puede conocer su posición mediante el calculo de una trisección espacial  posición tridimensional, al recibir la señal de al menos cuatro satélites • La medición se puede hacer al correlacionar los códigos modulados en la portadoras o la medir la fase de las portadoras • El último tipo de medición es el que se debe realizar para cumplir con la exactitudes que requieren la topografía y geodesia • La posición obtenida esta referida al elipsoide WGS-84 Coordenadas Geodésicas = latitud geodésica  = longitud geodésica h = altura elipsoidal Coordenadas Cartesianas Tridimensionales Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Levantamiento con GNSS • De acuerdo al número de receptores usados en el levantamiento • De acuerdo al movimiento del receptor: • De acuerdo al procesamiento de los datos: • De acuerdo al tipo de medición (observable) ABSOLUTO RELATIVO ESTATICO CINEMÁTICO TIEMPO REAL POST-PROCESO CÓDIGO FASE Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Receptor de referencia • La idea de que la base este colocada sobre un punto con coordenadas conocidas, es para que esta sirva de vínculo al sistema de referencia preexistente • La selección de que utilizar como equipo base se puede resolver con base a dos opciones • 1. Dejando en el campo al momento de la medición un receptor fijo, que no se va a mover* a lo largo de la medición planificada. • 2. El vincular a una estación de medición permanente ofrece la ventaja de que estas están midiendo constantemente • Se tiene la limitante* de que se depende de la disponibilidad de datos • De decisión depende de la planificación del levantamiento, la cantidad de equipos disponibles. Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Receptor de referencia • Considerar la limitante es la distancia desde la estación de medición permanente al sitio de medición. • Si se dispone de equipo que solamente mide L1, la distancia máxima recomendable para la longitud de los vectores es de 10 km**, ya que después de esa distancia los efectos de la ionosfera no se pueden considerar como semejantes • Si se dispone de equipo de dos frecuencias (mide L1 y L2), en un principio no hay limite para la distancia • Sin embargo, entre mayor sea la longitud del vector, mayor es el tiempo de medición necesario para obtener resultados satisfactorios • Entre los aspectos a considerar esta el de la independencia de vectores. Se debe garantizar para el procesamiento de los datos que todos los vectores a utilizar son independientes Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Mediciones estáticas • En el posicionamiento estático el receptor permanece fijo en el sitio de estación durante el tiempo que dura la sesión de medición. • El tiempo que dura puede ser desde unos minutos hasta horas, lo que aumenta la redundancia de las observaciones • Es la metodología que se debe utilizar cuando de efectúan mediciones de redes geodésicas Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Mediciones cinemáticas • El método surge como una solución a los prolongados periodos de medición de los levantamientos estáticos • El equipo a utilizar debe ser capaz de medir por fase, con el fin de obtener exactitudes semejantes a las de un levantamiento estático • Se requiere un receptor de referencia*(receptor base) el cual mide durante el tiempo que dura el levantamiento • Además se requiere de un receptor móvil o rover, que es el receptor con el que se ejecuta el levantamiento de los puntos de interés • Se requiere que en todo momento tanto la base como el rover reciban la señal de al menos cuatro satélites • Antes de realizar el levantamiento, se debe determinar la ambigüedad, mediante un proceso que se conoce como inicialización • *Variantes: RTK con el radio interno del receptor; RTK con un radio externo; correcciones de área, VRS, NTRIP Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Fuentes de error en las mediciones GPS • Toda observación esta afectada por errores aleatorios, los cuales no pueden ser eliminados. • En el caso del sistema GPS, algunos errores pueden ser eliminados; otros pueden ser modeladosy otros se minimizanal hacer el ajuste de las observaciones. • Las fuentes de error en las mediciones con GPS se clasifican en: • Los dependientes de los satélites y las órbitas de estos. • Los que se presentan cuando la señal se propaga desde el satélite al receptor. • Los provocados por el equipo en Tierra. • Los causados por el operario. • Otros Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Fuentes de error en las mediciones GPS • Los causados en la constelación pueden ser modelados o eliminados en los métodos relativos. • Los provocados por el efecto del paso de la señal a través de la atmosfera, algunos se pueden modelar y otros se definen como incógnitas en el ajuste**. • Los provocados por los equipos hoy en día son mínimos, siendo lo mas importantes las variaciones en los centros de fase de las antenas, los cuales se pueden corregir trabajando con antenas calibradas. • El error en el reloj del receptor es el único que no puede ser modelado o eliminado, por lo que se considera como una incógnita en el procesamiento. Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Fuentes de error en las mediciones GPS • Por los satélites: • Errores en los parámetros orbitales • Relatividad • Errores en el oscilador (reloj) del satélite • Variaciones en el APC del satélite • Disponibilidad Selectiva (S/A) y Anti-Spoofing(AS) • En la propagación de las señales • Atmosfera ionizada (ionosfera) • Atmosfera neutra (Troposfera y estratosfera) • Perdida de ciclos • Multipath Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Fuentes de error en las mediciones GPS • En el equipo • Estado del reloj del receptor • Variación del centro de fase de la antena • Incertidumbre en la medición • Retardos electrónicos (latencia) • Equipo no registra datos • Errores causados por el operario (1/2) • Mala lectura de la altura de la antena • Omisión de la medición de la altura de antena • No iniciar o finalizar la sesión a la hora indicada • El equipo se llevo al campo incompleto • Incorrecta identificación del punto sobre el que se midió • No verificó la carga de la batería o memoria del equipo • Croquis incorrecto Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Fuentes de error en las mediciones GPS • Otros • Inestabilidad del monumento que materializa la estación • Árboles u elementos reflejantes • Actividad solar • Cambios en las coordenadas de las estaciones de referencia, por deformaciones en la corteza o otros • No considerar la época de medición Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Centro de fase nominal en una antena GNSS Choke Ring. • Estos valores varían en función del ángulo de elevación y el azimut del satélite. Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Calibración Relativa de una antena GPS • Calibración Absoluta de una antena GPS Profesor: José Francisco Valverde C Diseño Geodésico I I Ciclo, 2014

Diseño geodésico 1 I ciclo, 2014 José Francisco Valverde Calderón