SISTEMAS GNSS - USCwebspersoais.usc.es/export9/sites/persoais/persoais/joseantonio... · Este...

UNIVERSIDADE DE SANTIAGO. ESCOLA POLITÉCNICA SUPERIOR DE LUGO.

Area de Enxeñaría Cartográficas, Xeodésica e Fotogrametría Sistemas GNSS 1

Prof.: José Antonio Pardiñas García

SISTEMAS GNSS




SISTEMAS GNSS. Corresponde este acrónimo a tódolos Sistema de Navigación Global por Satélite (Global Navigation Satellite System) SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL. GPS. 1.1. Descrición do Sistema.

1.1.1. Necesidade.

Este sistema xurde da necesidade que ten o home, dende os comenzos históricos, de posicionarse e saber onde se encontra el ou onde se encontran os seus obxectivos. Inicialmente foi concibido para a navegación mariña e con fins militares, posto que o sistema LORAN só permite a situación de puntos pretos da costa, onde hai unha rede deste sistema radiogoniométrico, sometida, moitas veces, a múltiples interferencias eléctricas.

1.1.2. ¿Que é o GPS? É un Sistema que permite localizar puntos na superficie terrestre coas súas coordenadas

xeodésicas WGS84 ( , , H), a partir das medicións feitas en base a unha constelación de 24 satélites, que orbitan a Terra a grande altitude ( 11.000 millas mariñas - uns 20.300 Km. ), ocupando 6 órbitas circumpolares con unha inclinación de 55º con respecto ó plano ecuatorial e con 4 satélites por órbita. Cada posición calculada e gravada no receptor coñécese co nome de ÉPOCA. O tempo que pasa entre cada dúas gravacións consecutivas é coñecido como INTERVALO DE ÉPOCAS. Oscila entre 1 segundo e 30 segundos. Os satélites están, dese xeito, a unha altura dabondo para evitar os problemas dos sistemas terrestres e usan unha tecnoloxía o bastante precisa como para poder definir posicións exactas en calquera lugar do mundo, as 24 horas do día. En Topografía estanse a acadar precisións de ata 1 cm. Como queira que foi deseñado como sistema de defensa podemos confiar na súa fiabilidade e dureza ata tal punto que se estimaba, nos seus comenzos, paralelamente á construcción de receptores mais pequenos e baratos, que se convertería nunha UTILIDADE ó alcance de todo o mundo. Hoxwe xa está demostrado.




1.1.3. ¿Como funciona o GPS?.

A pesar de que o sistema emprega unha complexa e punteira tecnoloxía, os principios en que se apoia para lograr a situación dun punto da superficie terrestre son moi sinxelos. Imos a desenvolver o seu funcionamento seguindo pasos lóxicos e globais para pasar logo a detalles mais concretos. O cálculo da posición basease nunha trilateración dos triángulos que representas as caras laterais dunha pirámide invertida na que os vértices da base son os satélites da constelación que se poden observar en cada caso, e o vértice principal da pirámide está ocupado polo punto que queremos posicionar, no que se colocará un receptor GPS.

Constelación de satélites NAVSTAR.




2. MEDICIÓN DA DISTANCIA DENDE OS SATÉLITES. Os Satélites actúan como puntos de referencia con respecto ós que coñecémola nosa distancia. Idea básica: Si considerámolos satélites como puntos de referencia, pensemos: si nos atopamos a 20.000 Km. do satélite A, podemos estar en calquera punto da esfera de centro A e radio 20.000 Km.

Pero si tamén sabemos que estamos a 22.000 Km. do satélite B, a zona de localización da nosa posición pasa a ser o círculo de intersección das dúas esferas (circunferencia).




Unha terceira distancia, por exemplo 24.000 Km. a un terceiro satélite C, reduce a nosa situación a DOUS PUNTOS.

Para determinar cal deses dous puntos é o correcto, técnicamente, recórrese a unha CUARTA MEDICIÓN (cuarto satélite), pero teóricamente, con tres sería dabondo, xa que dos dous puntos posibles, un deles, xeralmente, é un absurdo porque soe quedar moi lonxe da Terra. Os ordenadores de cálculo dispoñen de varias técnicas no seu software para eliminar o punto incorrecto.

2.1. MODO DE COÑECELA DISTANCIA A UN SATÉLITE.

O método de medición da distancia está baseado na fórmula do movemento uniforme, no que se coñece a velocidade das sinais de radio emitidas polo satélite ( c = 299.792,458 Km/s) e medimos o tempo con reloxos moi precisos instalados nos satélites, que poden apreciar ata nanosegundos (1 ns = 10-10 s).

Triangulación dun punto da Terra.




distancia = c.t ( c = velocidade da luz no baleiro )

Para esta medición necesítase un complexo equipamento que se organiza en Sectores ou Segmentos denominados como sigue:

a) SEGMENTO ESPACIAL.

Constelación de 24 satélites tipo Navstar, coas características que xa se citaron. O xiro dos satélites faise a unha velocidade tal que recorren a órbita en 12 horas, pasando, por elo, pola mesma vertical 2 veces cada día

b) SEGMENTO DE CONTROL.

Unha Estación Central en Colorado. Catro Estacións de seguimento en Hawaii (Océano Pacífico - Nordeste das Islas Marshall), Ascensión (Océano Atlántico - Oeste de Angola), Diego García (Islas Chagos no Océano Índico - Sur India) e Kwajalein (Islas Marshall - Océano Pacífico, Este de Filipinas). A misión do segmento de control é a de facer constantes medicións para determinar as correctas posicións dos satélites e incluir esa información no mensaxe de navegación que cada satélite emite xunto con toda a información que necesita o receptor para realizar o correcto cálculo de posición. Así, pois, as bases monitoras miden e remiten os datos á base central. A base central carga en cada satélite a súa correcta posición que logo será recibida e utilizada polo segmento usuario.

c) SEGMENTO DE USUARIO.

Receptores GPS. Antena con preamplificador, receptor con hardware e software para operacións de control, seguimento , cálculo e arquivo de datos.




2.1.2. MODO 1. POR PSEUDODISTANCIAS.

MEDICIÓN DO TEMPO: Os satélites dispoñen de reloxos atómicos electrónicos de grandísima precisión e moi caros (precisión: nanosegundos, custe: mais de 100.000 dólares). Pero o problema está en saber cando sae o sinal do satélite para poder medir o tempo que tarda en ser recibida polo receptor. Para logralo, a gran idea foi sincronizar os satélites e os receptores de xeito que xeneren o mesmo CÓDIGO á mesma hora. Dese xeito, cada vez que se conecta o receptor empeza a xenerar un código e a ler o que recibe do satélite. Cando se atope con un punto de igual código que o emitido polo receptor so ten que "mirar" atrás e ver en que instante foi producido no receptor para saber canto tardou dende o satélite. (Lembrar: o código coincide á mesma hora-milisegundo no satélite e no receptor). O tempo t é do orde das centésimas de segundo. Os códigos son moi complexos para que se podan distinguir en cada instante sen ambigüedade, variando constantemente. Pero estes impulsos codificados non son realmente aleatorios; trátase de secuencias "pseudo-aleatorias" coidadosamente elixidas que se repiten cada milisegundo, coñecidas como CÓDIGO PSEUDO-ALEATORIO. PERFECTO SINCRONISMO. Si temos en conta a velocidade das sinais de radio emitidas polos satélites do Sistema (uns 300.000 Km/s) podemos supoñer que unha falla de sincronismo entre o satélite e o receptor de só 10-2 segundos provocaría unha desviación na distancia de preto de 3.000 Km. É, por elo, indispensable poder corrixir calquera desincronización. De feito hai unha parte resolta no problema: o satélite leva 4 reloxos atómicos ( o "metrónomo" é a oscilación dun átomo) extraordinariamente precisos e moi caros, razón pola

Código "pseudo-aleatorio".




que os receptores non poden dispor deles. Os reloxos dos receptores son moi precisos pero non comparables ós dos satélites. A solución desta segunda parte do problema está na trigonometría. Consiste en realizar unha medición "extra" da nosa distancia a un CUARTO satélite para poder corrixir calquera risco de falla de sincronización entre satélite e receptor. O principio é o seguinte: " si tres medicións perfectas sitúan un punto no espacio tridimensional, entonces CATRO MEDICIÓNS IMPERFECTAS poden corrixir calquera desviación do tempo." Imos explicalo con uns sinxelos gráficos, eliminado a terceira dimensión para que sexa mais fácil de entender.

Partimos do suposto de o reloxo do noso receptor atrasa 1 segundo. (Exaxerado para os tempos GPS pero válido para o razoamento) Mediremos as distancias a partir dos tempos e, por elo, podemos considerar só os tempos para a nosa explicación. Tomaremos dúas distancias para conseguir a nosa posición nun plano. Sexa o punto ("X") situado a 4 segundos do satélite A e a 6 segundos do satélite B, medidos con un perfecto sincronismo. Si o reloxo noso atrasa 1 segundo, realmente daranos a distancia correspondente a 5 segundos de A e 7 segundos de B.




A posición ("X'") achada dese xeito é errónea.

Pero si introducimos unha TERCEIRA MEDICIÓN a un satélite C e nos da 9 segundos (considerando o atraso dun segundo) en vez de 8 segundos que serían correctos, a circunferencia correspondente non pasará polo punto X', como pode verse nos gráficos. Entonces é cando se pon en marcha o mecanismo de corrección. O receptor detecta a non solución do sistema (dous resultados diferentes) e parte do suposto de que a causa é a falla de sincronismo entre satélite e receptor por desviación no reloxo deste último, empezando a sumar ou restar tempos a tódalas medicións ata achar un solución única que será a correspondente ó tempo correcto, que determina o punto ("X") (ter en conta que o atraso no reloxo afecta por igual a tódalas medicións).

Para a medición en tres dimensións ( , , H ) ou (x,y,z) é necesario, polo tanto, realizar CATRO medicións a partir da sinal de CATRO SATÉLITES, para poder resolver técnicamente a posibilidade da desincronización receptor-satélite.

2.1.3. MODO 2. DISTANCIA POR NÚMERO DE CICLOS DA PORTADORA. Outro modo mais preciso para determinar a distancia entre cada satélite e o receptor consiste en facer o que se coñece como medicións de fase, determinado o número enteiro de ciclos ou lonxitudes de onda das portadoras que transportan o sinal dende os satélites.

Antes de nada aclarar dous conceptos de radioemisión: os de onda portadora o onda moduladora. A onda portadora é un nexo, un camiño, un vencello de unión que se establece entre o punto de emisión e o de recepción. A onda moduladora é a información pura que se quere enviar.

Un exemplo elemental, pero muy descritivo, supoñamos que alguén transmite unha mensaxe en código MORSE - puntos e raias - mediante unha linterna. A portadora é óptica: a




luz da linterna. A modulación faise en amplitude apagando e encendendo a linterna en intervalos de diferente duración para marcar os puntos e as raias.

A portadora e a moduladora son frecuencias correspondentes a radiacións electromagnéticas. A frecuencia das moduladoras é sempre mais baixa que a da portadora.

Unha das características mais importante do sistema GPS, é a medida precisa do

tempo, por esta razón, cada satélite leva varios osciladores de alta precisión.

Oscilador Precisión RUBIDIO 10-11 -10-12 CESIO 10-12 -l0-13 HIDROGENO 10-14 -10-15

O oscilador de alta precisión de cada satélite ten unha frecuencia fundamental de 10,23 Mhz. Todas as outras frecuencias (L1, L2) están derivadas dela.

A portadora L1 emite nunha frecuencia de 1575,42 MHz e unha lonxitude de onda () de 19,05 cm.; a portadora L2 utiliza unha frecuencia de 1227,60 Mhz e unha lonxitude de

onda () de 24,45 cm. A L é porque os valores usados están na banda L de FM que abarca desde 1GHz hasta

2GHz.




Sobre as portadoras L1 e L2 envianse por modulación dous códigos e unha mensaxe, cuia base tamén é a frecuencia fundamental 10,23MHz. O primeiro código chamado C/A é unha moduladora usando a frecuencia fundamental dividida por 10. O segundo código chamado P modula directamente coa fundamental de 10.23MHz.

Os códigos sirven fundamentalmente para posicionamientos absolutos e son usados fundamentalmente para navegación. O código C/A ofrece precisións nominais decamétricas, o código P ofrece precisións métricas.

A mensaje aporta toda a información necesaria para os usuarios del sistema. A mensaje de navegación é mandada polos satélites e consta esencialmente de información sobre o reló dos satélites, parámetros orbitaiss (efemérides), estado de saude dos satélites e outros datos de corrección.

MEDICIÓN DE DISTANCIAS CON MEDIDAS DE FASE O método de medida de fase é o que permite a máxima precisión: unha frecuencia de

referencia, obtida do oscilador que controla o receptor, compárase coa portadora

demodulada.

Contrariamente á seudodistancia, na que se mide o tempo de propagación coa axuda

dos códigos modulados C/A o P, aquí mídese o desfase da onda portadora. A fase da sinal

chegada do satélite é comparada coa fase dunha sinal de referencia xenerada no receptor.

Do desfase obtense unha parte da distancia como parte da lonxitude de onda; esto

significa na medición feita na frecuencia L1, unha parte da distancia comprendida en 19 cm;

na frecuencia L2, en 24 cm, e esto con resolución no ámbito submilimetrico. En principio, o

número enteiro N de lonxitudes de ondas completas na distancia “Satélite – Receptor”,

permanece descoñecido. Por elo, o programa de cálculo ten que estar en condicións de

determinar o número de lonxitudes de onda desconocidas (N = Número de Ambigüedades),

para poder calcular as coordenadas da estación (punto).

En definitiva, a distancia a cada satélite é un número enteiro de lonxitudes de onda

mais unha fracción da mesma. Unha vez que as ambigüedades foron resoltas ou fixadas, a

medición da distancia a cada satélite pode determinarse con gran precisión. O proceso de

determinación de ambigüedades, xunto coa eliminación dos erros quwe teñen orixe nos

satélites, na propagación da sinal e nos receptores, que permiten obter liñas base con gran

precisión, somente é posible mediante a aplicación de métodos relativos.




3. POSICIONAMENTO DOS SATÉLITES NO ESPACIO. Para determinar as coordenadas do punto observado, en formato xeodésico, as posicións dos satélites, en cada instante, teñen que ser coñecidas en valores xeorreferenciados no DATUM WGS84. Nas órbitas tan altas dos satélites do Sistema GPS non hai atmosfera e non hai rozamento, polo que as órbitas son moi estables e responden a algoritmos moi simples.

Altura da atmósfera: 80 Km. (Troposfera: 18, Estratosfera:31, Mesosfera:31)

Altura da ionosfera: Desde 80 Km a 400 Km. Cada satélite, inxectado nunha órbita moi ben determinada e coñecida, mantense nela. Os receptores descargan do satélite, como primeira observación, un arquivo chamado ALMANAQUE para saber as posicións dos satélites. Para mais seguridade, os satélites son controlados constantemente polo Departamento de Defensa dos EEUU, que mide a súa altitude, posición e velocidade dúas veces diarias dende cada estación de control (O período do satélite é de 12 horas). As pequenas variacións detectadas chámanse erros de EFEMÉRIDES e son motivados pola atracción gravitacional da Lúa e do Sol e pola presión da radiación solar. Os datos de cada medición son remitidos ó satélite para que xunto co seu Código pseudo-aleatorio emita constantemente unha "mensaxe" da súa posición correcta, de xeito que o receptor poida sabela con exactitude en todo momento. 4. ERROS PROVOCADOS POLA IONOSFERA E A ATMOSFERA. A precisión con que se idearon tódolos detalles para que as medicións fosen perfectas, atopouse con dúas fontes de erro de moi difícil eliminación:

a) A IONOSFERA, capa exterior da atmósfera formada por partículas cargadas electricamente, situada a uns 80 Km, da Terra e que afecta á velocidade das sinais de radio do GPS, de forma diferente segundo as condicións. Ten un espesor medio de 280 Km que disminúe unhos 100 Km durante a noite.

Hai dúas formas de corrixir este erro:

1) Considerando a variación típica dun día medio en condicións ionosféricas medias, e aplicar ese factor de corrección sempre, a tódalas medicións.

2) Examinar as velocidades relativas de dúas sinais diferentes. A desaceleración da luz na ionosfera é inversamente proporcional ó cadrado da súa frecuencia.(Lei da Física)

Si comparamos o tempo de desfase na chegada de dúas partes (L1 e L2) de distinta frecuencia da sinal GPS que teoricamente terían que chegar a un tempo, podemos deducir a desaceleración provocada pola ionosfera e aplicar esa corrección específica en cada caso. Este tipo de corrección somente a poden facer os receptores de frecuencia dual ou bifrecuencia, que poden recibir dúas frecuencias e analizalas.




b) A ATMÓSFERA.

O vapor de auga tamén afecta as sinais de radio de xeito similar á ionosfera. Desgraciadamente os erros provocados pola atmósfera non poden ser corrixidos facilmente. Pero sí sabemos que non provocan desviacións mais grandes de 10 metros. OUTRO TIPO DE ERROS.

a) Erros provocados polas variacións dos reloxos (do satélite e/ou do receptor). Estes erros ou son moi pequenos e difíciles de detectar ou moi grandes e, por elo, evidentes e corrixibles.

b) Erro MULTISENDA (Mulitipath).

Prodúcese cando as sinais dos satélites chegan rebotadas en varios puntos ou obstáculos, seguindo un camiño irregular e mais longo do normal. Os receptores modernos poden corrixir a maior parte deste erro.

c) Dispoñibilidade Selectiva (S/A). Erro provocado polo DoD Americano, propietario do Sistema, inducindo erros de mensaxe que situaban de forma incorrecta os satélites e provocaban, por elo, un errro nas coordenadas calculadas. Dende o ano 2000 está desactivado. d) A xeometría dos satélites visibles é un factor importante á hora de acadar altas

precisións no posicionamento dun punto. Dita xeometría cambia co tempo como consecuencia do movemento

e) orbital dos satélites. Un factor que mide a bondade desta xeometría é o chamado factor de Dilución Da Precisión (DOP = Dilution Of Precision).

O valor do DOP pode ser interpretado xeométricamente en función do inverso do

volumen do corpo formado polos satélites e o receptor (pirámide invertida). Canto maior sexa o volumen deste corpo mellor será a xeometría, e polo tanto menor será o valor do DOP.

(Ideal = 1) Os tipos e os valores de DOP mais utilizados son os seguintes:

GDOP: Dilución de precisión en posición e estado do reló ( , , H, t ). Valor recomendado (máscara): entre 1 e 8.

PDOP: Dilución de precisión en posición ( , , H ). Valor reecomendado (máscara): entre 1 e 6. TDOP: Dilución de precisión no estado do reló.

HDOP: Dilución de precisión en planimetría ( , ). VDOP: Dilución de precisión en altimetría ( H ) Os valores máximos, fixados polo usuario, por recomendación do fabricante do equiopo utilizado, coñécense como máscara de DOP. Normalmente os que se toman en consideración son o GDOP e o PDOP.




Reducción destes erros: O sesgo ou desviación do oscilador dos satélites mediante as correccións enviadas polas estaciones de seguimiento. O sesgo orbital mediante as efemérides radiodifundidas igualmente das estaciones de seguimiento. Pódense acadar as efemérides precisas dun día de observación. O retraso ionosférico mediante a utilización de dúas frecuencias e o proceso diferencial. O multipath. Situando a antena de xeito que evitemos as ondas rebotadas e utilizando planos de terra (placas de rebote do sinal acopladas á antena) si é preciso. Os erros debidos ó oscilador do receptor resólvense por corrección diferencial. Os erros de manipulación prodúcense cando non se siguen as indicacións do fabricante do instrumento, que solen descuidarse cando se traballa rutinariamente.

Para anular os satélites que poden provocar unha mala xeometría por estar moi pretos ó horizonte, cando entrán ou saen da súa órbita, establécese un novo parámetro coñecido como máscara de elevación, que pode definirse como a inclinación con respecto ó horizonte que pasa pola antena do receptor GPS, dun plano virtual de exclusión de tódolos satélites cuia sinal entre por debaixo del. (Interpretación persoal : Lei do Embudo )




5. CORRECCIÓN DOS ERROS. A corrección de tantos erros que afectan ós datos GPS para proporcionar as coordenadas de posición coa gama de precisión que se pode acadar cos diferentes tipos de receptor GPS, ata lograr a súa cancelación, somente se pode lograr por medio da CORRECCIÓN DIFERENCIAL.

Nace deste xeito o DGPS. Consiste na utilización dos datos de erro que pode proporcionar un receptor GPS fixo (coñecido como Base de Referencia) situado nun punto de coordenadas coñecidas, observando simultánemamente co GPS de traballo ( coñecido como GPS móbil).




Base ou Estación de Referencia Rover ou móbil Receptor situado nun punto Medindo puntas descoñecidos de coordenadas coñecidas Os datos dos dous receptores poden ser arquivados nos seus respectivos dispositivos de memoria para ser procesados posteriormente en gabinete. Este método de traballo coñécese como Postproceso.




Si establecemos un radioenlace ou calquera outro medio de comunicación entre a Estación de Referencia e o equipo móbil, entonces as correccións poden ser feitas en tempo real (RTK) Existen tres fontes principales para as correccións diferenciais:

Base de Referencia Local, normalmente propia que se instala cada vez que é necesario. Considérase logo unha Estación de Referencia temporal.

Estación de Referencia Permanente. Pode ser pública ou privada pero ten como característica a de estar sempre en funcionamento na mesma posición.




Rede de Estacións Permanentes GPS ou GNSS. Tamén poden ter carácter privado ou institucional e existen en toda España. Con un sistema de Rede preténdese garantizar cobertura para que calquera usuario poda acadar precisións topográficas e/ou xeodésicas. É decir, subcentimétricas.




Exemplo de cobertura dunha rede GNSS Na EPS existe unha Estación de Referencia GPS/GNSS Permanente instalada pola empresa Topcon. Está integrada na rede galega de Estacións de Topcon. Próximamente disporemos de unha segunda Estación GPS/GNSS de Referencia Permanente instalada polo Instituto Geográfico nacional (IGN). Estará homologada polo EUREF ( EUropean REFerence Organisation for Quality Assured Breast Screening and Diagnostic Services) e formará parte, dentro dalgún tempo, da Rede GNSS nacional que está construíndo o IGN. Páxina web oficial na que se pode encontrar información de moito interés sobre sistemas GNSS (Global Navigation Satellital System) http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/INSTITUTO_GEOGRAFICO/Geodesia/gnss/ ou en www.ign.es O proceso que se produce é o seguinte:

i. Receptor GPS Referencia situado nun punto de coordenadas ( R, R, HR ) coñecidas. Pode ser un Vértice Xeodésico.

ii. Cada época o receptor Referencia determina a súa posición coas observacións

( G, G, HG ). iii. Por comparación, podemos determinar os erros que afectan a esa posición en

cada época ( dG, dG, dHG ) . iv. Receptor GPS móbil medindo simultáneamente nunha zona próxima á

Referencia (as distancias, coñecidas como linea base, poden ir dende 1 – 30 Km para medicións de precisión topográfica ata 500 ou 1000 Km para medicións métricas destinadas á Cartografía ), con intervalos de épocas igual ou múltiplo que o da base. Os datos GPS todos están referidos ó tempo UTC (Tempo Universal Combinado) e tanto os recibidos pola Referencia coma os do

Móbil son simultáneos nese senso. As posicións serán: ( GM, GM, HGM ). v. Aplicación dos erros determinados cos datos da Referencia para corrixir os do

móbil e producir os valores exactos. Partimos da base de que as condicións que poden afectar ó móbil son similares ás que afectan á base na parte mais importante dos erros. Os datos do móbil finalmente corrixidos darán como

resultado as coordenadas finais verdadeiras dos puntos medidos ( P, P, HP ). vi. MODOS DE CORRECCIÓN DE ERROS:

http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/INSTITUTO_GEOGRAFICO/Geodesia/gnss/

http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/INSTITUTO_GEOGRAFICO/Geodesia/gnss/

http://www.ign.es/




a. En postproceso. Corrección de erros en gabinete despois da medición. Para elo é necesario dispor dun software axeitado para esa misión e conseguir os datos dunha referencia válida para a corrección. Actualmente existen moitas Bases de Referencia comunitarias de acceso gratuíto para o postproceso, con acceso por Internet.

b. En Tempo Real (RTDGPS ou RTK). Corrección de erros no mesmo momento da medición cando existen a posibilidade de recibir os datos de corrección dunba Base de Referencia por medio dun radioenlace. Este procedimento pode facerse si se dispón dun base propia e un radioenlace ou utilizando sinal rediodifundida de servicios de referencia, de pago ou gratuitos como poden ser: RASANT, OMNISTAR, EGNOS ou so de marcas concretas en zonas de alto nivel de uso do GPS en obras.

6. MÉTODOS DE OBSERVACIÓN. Cada marca e modelo deseñan métodos específicos para a toma de datos GPS, pero básicamente son dúas as formas de realizar observacións con GPS:

i. Mantendo o receptor un certo tempo no punto a determinar: MÉTODO ESTÁTICO. O tempo de observación depende do equipo e do sistema de procesado de datos. Pode pasar de 1 – 5 seg si traballamos en tempo real RTK a 3 – 5 minutos si traballamos en postproceso. Incluso hai estáticos para Lineas Base moi largas e necesidades de precisión moi altas que duran horas de observación.

ii. En permanente movimento mentras de definen lineas ou contornos de fincas: MÉTODO CINEMÁTICO. A precisión é moito masi baixa polo que se usa fundamentalmente para observacións destinadas a Cartografía de precisión métrica. (Escala 1:5000 e similares)

Calquera dos dous métodos pode facerse en tempo Real ou en Postproceso. Cando os datos GPS non son procesados por ningún dos dous procedimentos dícese que a observación está feita polo Método ABSOLUTO ou AUTÓNOMO. As precisións que se poden acadar están arredor de 7 – 12 metros. 7. SISTEMAS DE REFERENCIA. XENERACIÓN DE COORDENADAS. As coordenadas de resultado dos puntos medidos con GPS están referidas a un Sistema de Referencia ou DATUM chamado WGS84 e preséntanse en formato xeodésico, ciomo queda dito antes: lonxitude, latitude e Altitude Elipsoidal con respecto ó elipsoide WGS84. En Europa o sistema de referencia apicado é o ETRS89 e o elipsoide o SGR80, equivalente totalmente ó WGS84, como pode verse polos parámetros.

Elipsoide Semieixe maior a

Semieixe menor b

Aplanamento

Excentricidade2

e2

Hayford 6378388 m 6356911.946 m 1:297.00 0.00672267

SGR80 (WGS-84) 6378137 m 6356752.31 m 1:298.26 0.00669438

Pero normalmente os usuarios necesitan coordenadas na Proxección UTM, en formato cartesiano ( X, Y, Z ), no Datum ED50 para Europa e no Sistema de Referencia Xeodésico Global ETRS89 para todo Europa dende 2015.

Sendo (X, Y) as coordenadas UTM de posición e Z a cota ortométrica ou Altitude referida ó nivel do mar.

Para transformar as coordenadas WGS84 (ETRS89) en formato Xeográfico ou Xeodésico (Lonxitude e Latitude) a UTM ED50 ou UTM ETRS89 é necesario coñecer os parámetros de transformación que permiten a conversión entre sistemas de referencia. Son sete parámetros que avalían a translación entre orixes dos dous sistemas de referencia, a rotación dos tres eixos e o factor de escala debido ó diferenmte “tamaño” dos elipsoides de referencia dos dous sistemas.




Os parámetros calcúlanse para cada caso pero tamén se pode utilizar parámetros recomendados polos organismos públicos, por exemplo o IGN.




Para Lugo Centro poderían ser os seguintes, a partir de datos do IGN: PARÁMETROS DE TRANSFORMACIÓN DO IGN PARA LUGO CENTRO. PRECISIÓN MELLOR QUE 2,5 METROS

WGS84LU ----> ED50_LU Dx = 216.7329 Rx=0.00000 (") Dy = 143.9748 Ry=0.00000 (") Dz = 229.0012 Rz=2.1198002 (") Scale: -23.21541 ppm (0.9999767846) (1-23.21541/1000000) ou 1/1.00002321541 ED50_LU ----> WGS84LUGO Dx = -216.7329 Rx=0.00000 (") Dy = -143.9748 Ry=0.00000 (") Dz = -229.0012 Rz=-2.1198002 (") Scale: 23.21541 ppm (1.00002321541) A ondulación do xeoide obtense con programas de transformación ou a partir de datos do IGN, incluso coa súa calculadora xeodésica en liña. Chegados a este punto parece lóxico preguntarnos con respecto a que se determina a posición dos satélites e a do propio receptor GPS. Un dos problemas da xeodesia é establecer sistemas de referencia sobre os que realizar os cálculos das triangulacións en planimetría e os cálculos das redes de nivelación. Todas as redes xeodésicas están calculadas sobre un sistema de referencia local definido por:

- Elipsoide de referencia. Tómase como aproximación da figura da terra un elipsoide de

dous eixes (de revolución)

- Punto fundamental

- Orixe de lonxitudes

- Orixe de altitudes.




A situación dun punto P da superficie terrestre quedará definida polas coordenadas f, l e hp (altitude sobre a superficie do elipsoide)

A Rede xeodésica española está referida ao Sistema Xeodésico RE50 (Rede Europea 50) definido por:

- Elipsoide Internacional de Hayford

- Punto fundamental Postdam

- Orixe de lonxitudes: meridiano de Greenwich

- Alturas referidas ao xeoide (Datum Altimétrico en Alicante)

Sistema de referencia WGS84 – ETRS89. As coordenadas, tanto dos satélites coma dos usuarios, que se posicionan co sistema GPS, están referidas ao sistema de referencia WGS84 ou Sistema Xeodésico Mundial de 1984. Recentemente, en Europa, para prever a nova situación que se creará cando empece a funcionar o Sistema Galileo, utilízase como Sistema de Referencia para as mediciósn de GPS o denominado Sistema de referencia Terrestre Europeo de 1989 (ETRS89) que utiliza o elipsoide SGR80, de parámetros equivalentes ó WGS84.




Podemos obter coordenadas cartesianas xeocéntricas, no espazo, con respecto ao centro de

masas da terra (X,Y,Z) ou xeodésicas ( h,, ), con respecto ó meridiano 0 é ó Ecuador, sobre

o elipsoide WGS84 (SGR80) O sistema ten as seguintes características:

- Orixe: centro de masas da terra

- Eixe Z é paralelo á dirección do polo medio definido polo BIH

- O eixe X intersección do meridiano orixe (Greenwich) e do plano do ecuador medio.

- Eixe Y ortogonal aos anteriores

- As coordenadas xeodésicas están referidas a un elipsoide de revolución, coñecido como

SGR80, cos seguintes parámetros:

- Semieixe maior: 6378137

- Inversa do aplanamento 1/ =298.257223563

- Velocidade angular de rotación: 7292115 · 10-11 radiáns/segundo.

Sistema cartesiano global. Existe outro método para definir puntos no sistema elipsoidal, mediante coordenadas X, Y, Z a partir da orixe do elipsoide que serían coordenadas cartesianas xeocéntricas

¿PORQUE É NECESARIO TRANSFORMAR COORDENADAS? Ao medir con GPS normalmente é necesario levar a cabo unha transformación, pois esta técnica mide coordenadas nun sistema (WGS84) e en formato xeodésico (coordenadas universais esféricas) diferente ao habitual nun determinado país que suelen ser coordenadas rectangulares proxectadas. O mais normal será encontrar cartografía e proxectos na proxección UTM. TRANSFORMACIÓN DE DATUM.




En España, ata o ano 2015, utilizarase a Proxección UTM no Datum ED50 que utiliza o Elipsoide Internacional. Pero dende o 2007 coexisten dous Sistemas Xeodésicos de referencia para a UTM en todo Europa: ED50 e ETRS89. Para poder utilizar as observacións GPS, despois de correxidos os erros en Tempo Real ou en Postproceso, deberemos pasar do sistema WGS84 á Proxeción UTM no Sistema de Referencia que se necesite.

Xeodésicas WGS84 Rectangulares UTM ED50: Eso quere decir que si se necesita producir resultados de puntos en coordenadas proxectadas UTM, no fuso de que se trate, no Datum ED50, necesitamos realizar unha transformación entre sistemas distintos e unha conversión de formato xeodésico a rectangular.

Para logralo existen varios métodos que realizan a conversión e a transformación de:

, a X,Y

HE a Z ortométrica mediante ondulación do xeoide

Pero, sin duda, o mais completo é o Modelo de transformación Helmert 3D Funciona tomando as orixes e os eixos de dous sistemas de coordenadas elipsoidais e calculando o seguinte:

1. Os desprazamentos requiridos en x, e, z para mover a orixe do elipsoide WGS84 ao do

elipsoide local ( dx, dy, dz).

2. Se o elipsoide local ten unha orientación diferente á do elipsoide WGS84, as rotacións

sobre x, y, z para orientar a orixe correctamente (Rx, Ry, Rz).

3. Se os elipsoides son de diferente tamaño, un factor de escala entre os elipsoides (fs)

Son, logo, sete parámetros, si se utiliza o modelo de transformación coñecido como de Bursa-Wolf, a saber: dx, dy, dz, Rx, Ry, Rz, fs.




Para que a transformación funcione correctamente, deben coñecerse polo menos catro puntos homoxéneos de forma precisa no sistema de coordenadas locais. Se as coordenadas dos puntos locais non son precisas ou homoxéneas, os parámetros de transformación non funcionarán correctamente.

Ao realizar a transformación formúlase un problema entre as altitudes, ao estar o WGS84 – ETRS89 referido ao elipsoide WGS84 – SGR80 e o ED50 ao xeoide. O problema é maior en rexións montañosas, onde se presentan grandes ondulacións do xeoide. As alturas que se dan coas coordenadas de posición de puntos de control coñecidos son normalmente ortométricas (altura do nivel medio do mar ou o xeoide). Para obter unha altura sobre o elipsoide verdadeiro, co fin de determinar as coordenadas cartesianas do punto no elipsoide local, debe coñecerse a separación entre o xeoide e o elipsoide local. O ideal sería que a separación do xeoide fose coñecida nos puntos empregados na transformación, coñecida como ONDULACIÓN DO XEOIDE. Na maioría dos casos non é así. Nalgúns países ou áreas territoriais, existe un modelo do xeoide. Neste caso pode determinarse matematicamente a ondulación a partir do modelo. O IGN dispón dun modelo de xeoide actualizado dende 2008 coñecido como EGM08-REDNAP sustituto do IBERGEO 95, calculado pola necesidade de axustalo ás medicións con sistemas GNSS e ao SRV oficial no marco da REDNAP.




- GNSS = Global Navigation Satellite System - SRV = Sistema de Referencia Vertical - REDNAP = REDe de Nivelación de Alta Precisión

Xeodésicas WGS84 Rectangulares UTM ETRS89: Eso quere decir que si se necesita producir resultados de puntos en coordenadas proxectadas UTM, no fuso de que se trate, no Datum ETRS89, soamente necesitamos realizar unha conversión de formato xeodésico a rectangular debido a que o elipsoide é o mesmo e non se producen traslacións nin xiros é únicamente conversión de esféricas a planas proxectadas.

A transición entre coordenadas ED50 e ETRS89 pode executarse con varios programas de

cálculo topográfico como Topcal21, Perotopo 6.1, PAG, LGO etc.

Con todos se aplica un método de transformación que considera a superficie de mínima curvatura, ben con. Rejilla NTV2: integrable en muchos software Herramienta: Programa de Aplicaciones Geodésicas (PAG).

SISTEMAS GNSS - USCwebspersoais.usc.es/export9/sites/persoais/persoais/joseantonio... · Este...

Documents

Transcript of SISTEMAS GNSS - USCwebspersoais.usc.es/export9/sites/persoais/persoais/joseantonio... · Este...