Actualización técnica para el óptimo empleo de las ET y los GPS en el estudio geométrico vial

Resumen

La tesis surge como una necesidad de resolver un problema existente en la experiencia cubana del estudio geométrico de los viales aplicando la Topografía, donde no existe una fundamentación teórica y práctica del empleo eficiente en cuanto a precisión técnica, de las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS); técnicas éstas, relativamente novedosas que propician un mejor desarrollo de los trabajos de replanteo o levantamiento de certificación ejecutiva, e incluso, el estudio de las deformaciones en el tiempo, de los diferentes elementos asociados a la vía. En la investigación de diploma hacemos uso de las técnicas modernas de medición, donde todo se simplifica, y es aquí donde radica el interés de introducirlas en la práctica, por lo que fue necesario estudiar y definir cómo adecuar estos nuevos medios de medición a las exigencias de la geometría vial. Valoramos los permisibles y tolerancias de la geometría vial según normas y regulaciones de la construcción, así como comprobamos las posibilidades -en cuanto a precisión- que nos brindan la Estación Total y el GPS, haciendo uso de dos Estaciones Totales disponibles en GEOCUBA VC- SS, la TC 1800 y la TPS 805, y el receptor GPS SR-20, todos de la firma Leica. Se fundamentó su uso mediante la definición de una actualización técnica de medición, y su aplicación práctica en el levantamiento de dos curvas en la ciudad de Sancti Spíritus, lo cual sirvió de validación de la propuesta. Se arriban a conclusiones y se brindan recomendaciones útiles para la introducción de esta experiencia en la producción.

Palabras claves: Estación Total, GPS, precisión, Topografía Aplicada, curva circular simple, estudio geométrico, tolerancias, viales….

Introducción

¨El Gobierno de la República de Cuba ha aprobado un programa gubernamental de Recuperación Vial Nacional, consistente en la conservación, rehabilitación y construcción de vías terrestres, apoyados en una importante inversión realizada en dicha rama constructiva, con el objetivo de lograr una mejoría en la rehabilitación y conservación de los viales actuales, así como la construcción de nuevas vías de comunicación terrestre con los parámetros de calidad mundial, elevando los niveles de construcción vial en los próximos años¨, periódico Granma enero, 2008 [9].

Hemos constatado que en la experiencia cubana del estudio geométrico de las carreteras, aplicando la Topografía, no existe una fundamentación teórica y práctica del empleo eficiente de las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS); técnicas éstas, relativamente novedosas que propician un mejor desarrollo de los trabajos de replanteo o levantamiento de certificación ejecutiva, e incluso, el estudio de las deformaciones en el tiempo, de los diferentes elementos asociados a la vía.

Hasta hoy las aplicaciones de la Topografía en las vías de comunicación terrestre -como regla- se han realizado básicamente con métodos tradicionales, basados en el empleo de teodolitos, taquímetros análogos, cintas métricas, niveles ópticos, miras estadimétricas, y otros medios, que si bien han garantizado las precisiones y exigencias normativas, presentan el inconveniente de consumir mayor tiempo en comparación con estos modernos que requerimos investigar e introducir.

Como se ha de apreciar del párrafo anterior, ejecutar un trabajo dado en el tema de la geometría vial por los métodos tradicionales, conlleva a medir aisladamente -con instrumentos o medios de medición específicos- ángulos verticales y horizontales (o cenitales), distancias inclinadas u horizontales y desniveles. Luego, estas mediciones necesitan ser procesadas mediante cálculo en gabinete. Todo lo anterior, por su aparente proceso artesanal, consume un preciado tiempo, eleva los costos, y conlleva a incurrir en posibles errores, al tener el hombre que incidir directamente en más procesos de trabajo.

Con las técnicas modernas todo se simplifica, y es aquí donde radica nuestro interés de introducirlas en la práctica. Pero para ello es necesario estudiar y definir cómo adecuar estos nuevos medios de medición a las exigencias de la geometría vial terrestre.

A manera de introducción, y acercándonos al tema, podemos plantear que el origen y finalidad del sistema GPS fue la navegación. Su predecesor fue el sistema militar TRANSIT, en servicio desde 1967. Dio origen al NAVSTAR GPS (por sus siglas en inglés: NAVigation System with Time and Ranging Global Positioning System), que es un sistema de radio navegación por satélite que provee a los usuarios de coordenadas precisas de posicionamiento tridimensional e información sobre navegación y tiempo. Se empezó a desarrollar en 1973 como mejora de TRANSIT y aunque, con un empleo militar en principio, pasó a ser un sistema de uso civil con ciertas restricciones, siendo utilizado para fines geodésicos prácticamente desde 1983. La configuración final del sistema fue alcanzada en 1994 con 24 satélites utilizables. Desde entonces se ha convertido en el principal sistema (o al menos el más versátil) para posicionamiento de precisión.

El NAVSTAR GPS es un sistema propiedad de los Estados Unidos de Norteamérica. Hoy, en paralelo existe un sistema similar ruso, el GLONASS (por sus siglas en ruso: Globalnaia Navigaziómnaia Sputnikobaia Systema), que también opera con 24 satélites. Otros países emprenden el camino de disponer de sistemas de navegación propios. Así, la Unión Europea paulatinamente pone en práctica el sistema Galileo, con el objeto de evitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS. Al contrario de estos dos, será de uso civil. El sistema se espera poner en marcha totalmente en 2014 después de sufrir una serie de reveses técnicos y políticos para su puesta en marcha. Así mismo la República Popular China se ha propuesto uno propio: el sistema de posicionamiento chino Beidou/Compass, Brújula, que entró recientemente en operaciones tras más de 10 años de preparación, en los que China ha lanzado 14 satélites para su funcionamiento. La red china, que pretende competir con el GPS diseñado por el ejército estadounidense, empezó a brindar información de posicionamiento y de pronóstico del tiempo. El sistema Brújula, sin embargo, sigue en desarrollo y en el 2012 se lanzaron seis satélites, planificándose alcanzar 30 en 2015 para aumentar los servicios.

La India ha lanzado un sistema de navegación basado en satélites para ayudar al tráfico aéreo en la región. El Ministerio de Aviación Civil puso en marcha el sistema de posicionamiento global asistido GAGAN (Sistema de Aumentación Basado en una constelación de 24 satélites). GAGAN ofrecerá una cobertura sin fisuras del tráfico aéreo del sur de Asia a África y se conectará a los sistemas de Europa y Japón. También se espera que mejore la búsqueda y la navegación marina de transporte y las operaciones de rescate, reconocimiento y cartografía. GAGAN es una iniciativa conjunta de la Autoridad de Aeropuertos de la India (AAI) y la Organización de Investigación Espacial India (ISRO). El sistema proporciona características mejoradas de seguridad para las compañías aéreas, ya que tendrían una adecuada y precisa orientación de aproximación hacia las pistas en cualquier condición meteorológica.

Igualmente Japón dispone del sistema Michibiki (que se traduce como Guía). El satélite de última generación que la Agencia Espacial Japonesa (JAXA) colocó en órbita en Septiembre del 2010, les ha permitido alcanzar una precisión extraordinaria en el posicionamiento terrestre. Se trata del primero con que contará el proyecto QZS, un sistema de tres satélites que llevará a los habitantes de Japón a unas coordenadas de exactitud en su geolocalización como nunca se había conocido antes. Por lo pronto, esta primera unidad ya ha demostrado hasta dónde pueden llegar sus procesadores de señal. Con este hito los japoneses han adelantado a los europeos y a los chinos, que aún se hallan en problemas económicos unos y de logística los otros.

Las pruebas japonesas han sido realizadas por la compañía que ha diseñado el satélite (Mitsubishi), en un automóvil de la misma marca, que ha recorrido las carreteras a una velocidad de 20 Kms/h y ha verificado una precisión de 3 cm. Los técnicos aseguran que hasta 80 Kms/h se mantiene esta fantástica resolución y que cuando haya más satélites en órbita incluso mejorará la cifra.

El QZS (Quasi-Zenith Satellite) es el que ha permitido este milagro. Este satélite de posicionamiento local se  encuentra en una órbita geosíncrona inclinada (IGSO, Inclined Geosynchronous Satellite Orbit) de 32.000 x 40.000 km y 45º de inclinación. Posee una masa de 4.100 kg y ha sido construido por Mitsubishi Electric para la JAXA utilizando el bus ETS-8. Complementa al sistema GPS estadounidense y sólo funciona en el territorio japonés, aumentando la resolución y permitiendo mejorar la visibilidad de la señal en ciudades con edificios altos. Con esta primera unidad, se cubren apenas 8 horas pero cuando se lancen los otros 2 satélites que faltan, completarán las 24 horas del día.

No obstante a lo reseñado, a los efectos de esta investigación de tesis, solo analizaremos a los GPS de factura norteamericana, por disponerse en el país de receptores que únicamente captan este sistema. Pero los principios de uso y operación básicamente son factibles de emplear y extrapolar en los otros similares. Los receptores GPS que existen en el mercado, y en particular los que disponemos, tienen diferentes precisiones en la determinación de la posición plano-altimétrica, por lo que es un imperativo analizar y fundamentar cuál receptor GPS es pertinente emplear.

Por su parte la Estación Total es un resultado del desarrollo y perfeccionamiento de los taquímetros electrónicos, a los cuales se les fueron adicionando funciones a medida que los conocimientos de la electrónica y la computación avanzaron. Hoy en día la Estación Total es un medio de medición capaz que de por sí sola -de manera automática- resuelve todas las tareas que anteriormente se realizaban por partes, es decir, obtener coordenadas precisas espaciales (XYZ) al unísono, lo que conlleva implícito a medir ángulos horizontales, verticales (cenitales) y desniveles. Además ya tiene implementado toda una serie de funciones que facilitan enormemente el trabajo en campo, con registro de datos de archivo, resolviendo tareas básicas de Topografía: replanteo, levantamiento, orientación, e incluso tareas específicas de aplicaciones a los viales. En el mercado existen ya nuevas Estaciones Totales, como las de la firma Leica Viva TS11, TS12 y TS15 robotizadas, de manera tal que con un solo operario basta para ejecutar las disímiles tareas de la Topografía. Sus hard-software están diseñados para seguir -de manera automática- el bastón o prisma que a conveniencia el topógrafo hace colocar en los puntos o piquetes del terreno u obra que desee.

La versatilidad en el empleo de la Estación Total y la amplia gama de tareas que puede resolver con elevada precisión, así como la agilidad en su uso hacen que se convierta en un medio de medición imprescindible en los días de hoy.

En el mercado existe una variada gama de Estaciones Totales con diferentes precisiones en la medición de las distancias, y los ángulos horizontales y verticales, por lo que resulta necesario fundamentar a priori el uso de las mismas en determinadas aplicaciones de la Topografía. Tal es el caso de evaluar la pertinencia de su empleo en la geometría vial, asunto que trataremos en la presente investigación de tesis.

Situación problémica

Por lo que en la practica cubana, si se requiere un proyecto con metodologías fundamentadas en ciertas consideraciones técnicas, al adolecer las empresas cubanas de este tipo de estudios, que permitan el uso correcto y óptimo de las técnicas más avanzadas y se respeten las condiciones impuestas en el proyecto; para emplear las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS) correctamente, que ayude al aseguramiento ingeniero-geodésico de los viales; y pudieran verse beneficiadas con la actualización técnica de estos equipos.

Partiendo de lo expuesto con anterioridad, se definirá el Problema científico del siguiente trabajo investigativo.

¿Cómo contribuir al empleo eficiente de las estaciones totales y los sistemas de posicionamiento global por satélite (GPS), en su aplicación de la topografía en el estudio geométrico de los viales?

El Objeto de investigación lo constituye el Estudio geométrico de las carreteras y todo esto se desarrolla dentro de un Campo de acción como es el Empleo de novedosas técnicas de medición topogeodésicas (Estaciones totales y GPS).

Objetivo general

Elaborar una actualización de las consideraciones técnicas para el óptimo empleo de las estaciones totales y los sistemas de posicionamiento global por satélite (GPS), en su aplicación de la topografía en el estudio geométrico de los viales; a partir de la actualización, organización y presentación de la documentación en que se basa, que faciliten su correcta utilización en la solución a distintos problemas ingenieriles.

Objetivos específicos

• 1. Recopilar la información disponible sobre el tema, analizarla y valorar su valía práctica.

• 2. Profundizar y asimilar las especificaciones técnicas de las estaciones totales y los sistemas de posicionamiento global por satélites (GPS) aplicados al estudio geométrico de las carreteras.

• 3. Confeccionar una actualización de las consideraciones técnicas en el empleo de las estaciones totales y los sistemas de posicionamiento global por satélite (GPS), que sea práctica y eficiente, además que contenga la suficiente información para que los especialistas, aunque no sean grandes conocedores del tema, puedan dar una respuesta exitosa a sus proyectos de la topografía en el estudio geométrico de los viales.

• 4. Introducir en la práctica productiva la actualización técnica elaborada.

• 5. Validar la actualización técnica propuesta.

Para darle cumplimiento a los objetivos anteriormente planteados se desarrollaron las siguientes Tareas científicas:

• 1. Recopilación y estudio bibliográfico, a través de la búsqueda en Internet; y análisis de investigaciones precedentes.

• 2. Realizar el estudio de las particularidades del aseguramiento ingeniero-geodésico a los viales. Además de la evaluación de las exigencias de precisión en la geometría de vías.

• 3. Redacción de la primera versión del Capítulo I: ''Estado del conocimiento sobre el empleo de Estaciones Totales y los GPS, en el estudio geométrico de los viales''.

• 4. Valoración del alcance de precisión de las Estaciones Totales y los GPS en general; y en particular, de los disponibles en GEOCUBA VC-SS: las Leica TC 1800 y TPS 805 y del receptor GPS Leica SR-20.

• 5. Redacción de la primera versión del Capítulo II: ''Elaboración de una actualización de consideraciones técnicas para el óptimo empleo de las Estaciones Totales y los GPS, en su aplicación topográfica a la geometría vial''.

• 6. Validación por especialistas de los resultados, a partir de la medición de dos curvas correspondientes a una intersección en forma ''T''.

• 7. Redacción de la primera versión del Capítulo III: ''Validación de los resultados''.

• 8. Redacción de la primera versión de las "Conclusiones y Recomendaciones" del trabajo.

Hipótesis

Investigando la pertinencia en cuanto a precisión y operatividad de las Estaciones Totales y los GPS se puede elaborar una actualización de la técnica que garantice el empleo correcto de estos medios en el estudio geométrico de las carreteras, para que resulte eficiente y óptimo, garantizando la calidad exigida en las normas y con racionalidad de tiempo y costo de ejecución.

Operacionalización de variables

Se identifica como variable independiente: la elaboración de una actualización de las consideraciones técnicas para el óptimo empleo de las Estaciones Totales y los GPS, en su aplicación de la Topografía en el estudio geométrico de los viales.

Como variable dependiente está la información rápida, precisa, detallada, cuantitativa y cualitativamente superior, que se obtiene con el empleo de novedosas técnicas de medición topogeodésicas en comparación con las tradicionales. En interés de concretar la labor de la investigación se traza como límite, la elaboración de una actualización de las consideraciones técnicas para el óptimo empleo de las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en su aplicación de la Topografía en el estudio geométrico de los viales.

Novedad Científica

Contribuye a la difusión de los parámetros técnicos en cuanto a errores permisibles y tolerancias en el estudio geométrico de los viales, utilizando al máximo las posibilidades las estaciones totales y los GPS disponibles, que posibilitan lograr trabajos topográficos más racionales y seguros, donde se aproveche al máximo el aporte de estos novedosos medios.

Aportes

El aporte teórico consiste en la actualización de los parámetros técnicos para el estudio geométrico de los viales, empleando nuevas técnicas de medición topogeodésicas.

El aporte práctico está en que contribuye al estudio y enriquecimiento de los conocimientos, acerca del empleo de las estaciones totales y los GPS en el estudio geométrico vial, a partir de la revisión y actualización de los nuevos trabajos existentes a nivel mundial.

El aporte metodológico consiste en utilizar las estaciones totales y los GPS durante la solución de los casos de estudio, presentando un enfoque avanzado.

Métodos de investigación

El diseño metodológico empleado es el explicativo, que se basa en la identificación y análisis de documentos histórico-lógicos, la observación del comportamiento del problema de investigación, los análisis para establecer el conocimiento existente en la temática y determinar procesos comunes, el modelado para pasar de lo abstracto a lo concreto, y la experimentación para comprobar la propuesta.

Entre los métodos de investigación que apoyan este trabajo se encuentran:

El método hipotético-deductivo. A partir de un planteamiento hipotético se empiezan a deducir los resultados.

El método histórico-lógico y el dialéctico. Para el análisis crítico de la literatura que refiere trabajos relacionados con el objeto de investigación, con vistas a asimilar los aspectos positivos, negar lo negativo y construir el nuevo método sobre estas bases dialécticas.

El método de análisis y síntesis. Para desagregar el problema de investigación en subconjuntos para descubrir los rasgos del comportamiento de cada parte, para finalmente sintetizarlos en la solución obtenida.

El método experimental. Para comprobar la viabilidad y validez de la propuesta, así como el comportamiento de las variables del diseño teórico, que permiten comprobar el planteamiento hipotético.

Los métodos algebraicos y aritméticos. Para formalizar los componentes del método propuesto y comprobar la factibilidad económica de este.

Para el análisis de los resultados se utilizó el método de interpretación a partir de la definición de la propuesta sobre la base de la continuidad de estudios y propuestas anteriores que son identificados en la literatura, y del establecimiento de nuevos enfoques en la temática.

Actualidad

La actualidad de la investigación de la tesis se hace fehaciente en la literatura referenciada, con 82 títulos, así como la consultada, superando el centenar; de ellos, 27 son recientemente editados (no más de cinco años), lo que representa el 33,33 % del total. Además se consultaron 34 sitios de Internet relacionados con la temática, que aunque en la fuente no se precisa la fecha de su publicación, se deduce que son sitios actuales, ya que están disponibles y su acceso es amplio por la comunidad científica. El resto de la literatura a pesar de ser de 20 o 30 años atrás contiene los fundamentos y bases teórico-prácticas de lo investigado.

Breve descripción del contenido de la tesis

La tesis se estructura en: Introducción, tres Capítulos, Conclusiones, Recomendaciones y Bibliografía General.

Los capítulos son:

Capítulo I: Estado del conocimiento sobre el empleo de Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en el estudio geométrico de los viales.

Se da una panorámica del estado del arte de la temática y el diseño de la investigación asumida, lo cual posibilita evaluar la temática en el ámbito internacional, particularizar en nuestro país, y en base a ello, proponer el campo de acción de nuestra investigación de tesis.

Capitulo II: Actualización de las consideraciones técnicas para el óptimo empleo de las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en su aplicación topográfica a la geometría vial.

Se enfoca científicamente en la pertinencia del empleo de las Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS) en el estudio geométrico de las carreteras, a partir de las tolerancias y errores permisibles de estas. Se comparan con los métodos tradicionales.

Capítulo III: Validación de los resultados

Se desarrollan los experimentos para la validación de la actualización técnica y se valora la importancia de la información aportada a partir del análisis. Se explica la evaluación de la misma a través de los criterios dados por los especialistas, constituyendo el fundamento práctico de la investigación.

Publicaciones y presentaciones en Eventos Científicos

Participé como ponente en el 9no Simposio Internacional de Estructuras, Geotecnia y Materiales de Construcción, celebrado en la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas (UCLV), Villa Clara en noviembre del 2010. Además en el Evento Provincial de la UNAICC Sancti Spíritus el 11 de enero de 2012, día del Ingeniero.

Capítulo I:

Estado del conocimiento sobre el empleo de Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en el estudio geométrico de los viales

1.1 Introducción del Capítulo

El objetivo de este capítulo es conocer el estado del arte del empleo de Estaciones Totales y los Sistemas de Posicionamiento Global por Satélite (GPS), en el estudio geométrico de los viales, que permitan un posterior análisis sobre el tema. Para ello se hizo una revisión minuciosa de toda la bibliografía existente hasta el momento a nivel mundial referente a las Estaciones Totales y GPS. Se toma el trabajo presentado por colectivo de autores 2003 [16] como punto de partida, ya que éste realizó un estudio detallado de toda la información existente en Cuba y a nivel internacional sobre el tema en cuestión, especificando sobre los GPS. En lo concerniente a las Estaciones Totales, se tomó como base lo propuesto por colectivo de autores 2008 [20].

A partir de aquí se comenzó la búsqueda utilizando como la principal fuente de información a Internet. Se logró recopilar una gran cantidad de trabajos relacionados con el tema de las Estaciones Totales y los GPS vinculados con trabajos en las carreteras, los que fueron procesados para tratar de actualizar el estado del arte de la temática. Muchos de estos artículos, ponencia, normas o regulaciones de la construcción tratan aspectos importantes a tener en cuenta. Algunos de estos materiales a pesar de no ser objetivos específicos de nuestro tema, sí tratan aspectos a valorar en futuros trabajos, y sirven -a la postre- como fuente de información para aquellos especialistas que usen este tipo de equipamiento, constituye, además, una documentación que aporta información sobre las nuevas tendencias en la temática a nivel mundial.

Por lo general los estudios geométricos de las vías en Cuba se realizan con equipos topográficos con gran cantidad de años de explotación, los que conlleva a un elevado tiempo en el procesamiento de los datos, y una evidente menor precisión en los resultados. Dado lo anterior, existe la imperiosa necesidad de introducir nuevas tecnologías, por lo que el surgimiento y evolución de los sistemas globales de posicionamiento, y en específico el GPS, ha constituido una incuestionable revolución tecnológica dentro de la rama de las Geociencias. La alta productividad y precisión de los resultados del posicionamiento GPS posibilita su explotación en disímiles escenarios, dentro de los cuales la Geodesia y la Topografía se hallan entre las más beneficiadas. Pero afirmar lo anterior conlleva a un obligatorio análisis y cuestionamiento de la pertinencia de este medio en el trabajo que deseamos acometer. Otro tanto sucede con las Estaciones Totales, que constituye un paso de avance decisivo y muy importante en las mediciones, ya que en un solo medio de medición se integra la posibilidad de medir distancias y ángulos horizontales y verticales precisos, determinar al unísono las coordenadas espaciales X, Y y Z con elevada precisión, incorporando además programas que facilitan la toma de datos, su trasmisión y posterior procesamiento. Pero el uso de las Estaciones Totales debe ser evaluado y se debe contrastar su pertinencia, tarea que es de interés en la presente tesis.

En este Capítulo I se realiza la exposición del análisis de las fuentes bibliográficas, fruto de una búsqueda extensa sobre los posibles trabajos que pudieran ser útiles en esta temática. Se pudo apreciar que realmente en nuestro país son muy escasos los que abordan de forma precisa una metodología o actualizan las consideraciones técnicas para el empleo de estas nuevas tecnologías, y hay prácticamente una ausencia de aplicación a los viales. Hemos comprobado que en el quehacer de nuestras empresas de vialidad, o aquellas afines a la construcción de viales en general, existe cierta reticencia por el empleo de estas dos técnicas, el GPS y la Estación Total, en aplicaciones de la geometría vial, y recurren aun a los métodos tradicionales, que les son confiables y conocidos. Internacionalmente existe mayor información, quizás les sea un urgencia y un imperativo de mercado agilizar los trabajos de campo y postprocesamiento de gabinete, por lo que estas dos técnicas son de uso generalizado.

1.2 Principio básico de funcionamiento de la Estación Total

En Wikipedia 2013 [82], se denomina Estación Total al instrumento electro-óptico utilizado en Topografía, cuyo funcionamiento se apoya en la tecnología electrónica. Consiste en la incorporación de un distanciómetro y un microprocesador a un teodolito electrónico.

Algunas de las características que incorpora, y con las cuales no cuentan los teodolitos, son una pantalla alfanumérica de cristal líquido (LCD), leds de avisos, iluminación independiente de la luz solar, calculadora, distanciómetro, trackeador (seguidor de trayectoria) y la posibilidad de guardar información en formato electrónico, lo cual permite utilizarla posteriormente en ordenadores personales. Vienen provistas de diversos programas sencillos que permiten, entre otras capacidades, el cálculo de coordenadas en campo, replanteo de puntos de manera sencilla y eficaz, cálculo de acimutes y distancias, programas para el levantamiento y replanteo de elementos de la geometría vial, etc.

1.2.1 Funcionamiento

Vista como un teodolito, una Estación Total se compone de las mismas partes y funciones. El estacionamiento y verticalización son idénticos, aunque para la Estación Total se cuenta con niveles electrónicos que facilitan la tarea.

Los tres ejes y sus errores asociados también están presentes: el de verticalidad, que con la doble compensación ve reducida su influencia sobre las lecturas horizontales, y los de colimación e inclinación del eje secundario, con el mismo comportamiento que en un teodolito clásico, salvo que el primero puede ser corregido por software, mientras que en el segundo la corrección debe realizarse por métodos mecánicos.

Figura 1.1 Descripción de las partes de la Estación Total. (2013¨Partes de una E T¨ [10]).

El instrumento realiza la medición de ángulos a partir de marcas realizadas en discos transparentes. Las lecturas de distancia se realizan mediante una onda electromagnética portadora con distintas frecuencias que rebota en un prisma ubicado en el punto a medir y regresa, tomando el instrumento el desfase entre las ondas. Algunas Estaciones Totales presentan la capacidad de medir "a sólido", lo que significa que no es necesario un prisma reflectante.

Este instrumento permite la obtención de coordenadas de puntos respecto a un sistema local o arbitrario, como también a sistemas definidos y materializados. Para la obtención de estas coordenadas el instrumento realiza una serie de lecturas y cálculos sobre ellas y demás datos suministrados por el operador.

Las lecturas que se obtienen con este instrumento son las de ángulos verticales, horizontales y distancias. Otra particularidad de este instrumento es la posibilidad de incorporarle datos como coordenadas de puntos, códigos, correcciones de presión y temperatura, etc. La precisión de las medidas es del orden de segundos en ángulos y de milímetros en distancias, pudiendo realizar medidas en puntos situados entre 2 y 5 Kms según el aparato y la cantidad de prismas usada.

Genéricamente se los denomina Estaciones Totales porque tienen la capacidad de medir ángulos, distancias y niveles, lo cual requería previamente de diversos instrumentos. Estos teodolitos electro-ópticos hace un tiempo que son una realidad técnica accesible desde el punto de vista económico.

Su precisión, facilidad de uso y la posibilidad de almacenar la información para descargarla después en programas de CAD ha hecho que desplacen a los teodolitos, que actualmente están en desuso. Por otra parte, desde hace ya varios años las Estaciones Totales se están viendo desplazadas por el GPS en trabajos topográficos.

Las ventajas del GPS topográfico con respecto a la Estación Total son que, una vez fijada la base en tierra solo es necesaria una sola persona para tomar los datos, mientras que la Estación Total requería de dos, el técnico que manejaba la Estación Total y el operario que situaba el prisma. Hoy este inconveniente ha sido superado, se cuenta con Estaciones Totales robotizadas que en principio un solo operador las puede usar (como las desarrolladas por la Leica Viva). Por otra parte, la Estación Total exige que exista una línea visual entre el aparato y el prisma, lo que es innecesario con el GPS.

Sin embargo, no siempre es posible el uso del GPS, principalmente cuando no puede recepcionar las señales de los satélites debido a la presencia de edificaciones, bosque tupido, etc. Además, la mayor precisión de la Estación Total la hacen todavía imprescindible para determinados trabajos, como la colocación de apoyos de neopreno bajo las vigas de los puentes, la colocación de vainas para hormigón postensado, el replanteo de vías férreas, etc.

1.2.2 Las Estaciones Totales disponibles y sus características técnicas

En Cuba existen varios modelos de Estaciones Totales de la firma Leica: TC 1800, TPS 705, TPS 805 y TS 02, TS 06 y TS 09. En particular, en la empresa GEOCUBA Villa Clara-Sancti Spíritus, que fue donde realizamos la investigación de la tesis, se dispone de la TC 1800 y la TPS 805.

A continuación se muestran las fuentes de errores presentes en las mediciones geodésicas de estas Estaciones Totales.

Tabla 1.1 Parámetros técnicos de las Estaciones Totales disponibles en GEOCUBA.

Tabla 1.1 Continuación.

Las Estaciones Totales TS 02, 06 y 09 tienen una gama de errores angulares, al igual que en distancia, que oscilan en diferentes valores, lo que se le solicita al fabricante Leica, según el tipo de la serie. GEOCUBA (Oriente Norte, Holguín) adquirió recientemente una TS 09 con un error medio cuadrático (e.m.c) angular de 1" y en la distancia un e.m.c. de ( 1 mm+ 1 ppm, que se emplea para trabajos precisos y para calibrar al resto de las Estaciones Totales.

Todas estas Estaciones Totales realizan correcciones automáticas por: error de la línea de visual; error del índice vertical; curvatura de la tierra y refracción.

1.3 Principio básico de funcionamiento del GPS

Someramente pasamos a describir el funcionamiento del GPS, centrado nuestra atención en las ventajas de su uso y las precisiones que nos puede reportar. Así, el Sistema Global de Posicionamiento NAVSTAR es un sistema satelital de posicionamiento que ha revolucionado las tareas de navegación y la determinación de coordenadas en virtud de características específicas, entre las que Rodríguez 2008 [79] considera:

• Brinda una alta precisión en el posicionamiento relativo, desde un nivel decamétrico hasta milimétrico.

• Permite determinar la velocidad y la hora con una precisión similar a la de las coordenadas.

• Está disponible a cualquier usuario sobre la superficie terrestre, marítima o el aire.

• Es un sistema relativamente barato, ya que los usuarios no tributan pagos adicionales por emplearlo.

• Es un sistema que puede ser empleado prácticamente en cualquier condición meteorológica y está disponible las 24 horas del día.

• Brinda la información de la ubicación tridimensional.

Sin embargo, el sistema GPS cuenta con un grupo de desventajas relativas, como son:

• Su empleo eficiente requiere de disminución del tiempo de transportación.

• Se mantienen los problemas lógicos al ocupar puntos de difícil acceso.

• Empleo limitado en zonas urbanas densamente pobladas, imposibilidad bajo tierra y bajo techo.

• Como las determinaciones pueden ser optimizadas para satisfacer las necesidades específicas de un proyecto, esta no puede ser utilizada para otras aplicaciones. Se necesitarían nuevas observaciones cada vez que surjan otras necesidades.

• Para garantizar el acimut para los métodos tradicionales es necesario establecer puntos con ínter visibilidad.

• Las coordenadas requieren ser transformadas al sistema geodésico local (ya que opera en un elipsoide mundial particular, el WGS84 (por sus siglas en ingles: World Geodetic System 1984), y en Cuba utilizamos el elipsoide de Clarke 1866. Debiéndose además, transformar las coordenadas elipsoidales a plano-rectangulares, que en nuestro país usamos la proyección cónica conforme de Lambert. Estas transformaciones se requieren para que sean operables en los trabajos aplicados a la geometría de vías). Todo lo anterior -dado a que los parámetros de transformación de un sistema a otro para el caso de Cuba no son rigurosamente exactos ni confiablemente conocidos desde el punto de vista matemático- conlleva a pérdida de precisión en el resultado GPS, lo cual debe ser valorado en los proyectos de aplicación vial.

• La comparación de los resultados (más precisos) con los métodos tradicionales puede constituir confusión al manejar términos y definiciones distintas.

• Necesidad de reducir las alturas determinadas con GPS al sistema empleado en la Geodesia y Topografía.

• Los instrumentos son relativamente caros. Se requiere de un mínimo de 2 equipos para trabajo.

• Exige aprender nuevas habilidades, metodológicas y estratégicas para la planificación, trabajo de campo y análisis de datos.

• Exige comprensión de cómo integrar los resultados GPS a las redes plano- altimétricas convencionales.

La idea básica del posicionamiento simple con GPS se basa en la medición de distancias (o más correctamente, pseudodistancias) desde satélites al receptor a través de la medición del tiempo. Una trilateración inversa en el espacio (figura 1.2), conociendo las coordenadas de al menos 3 satélites permitirá obtener la ubicación de un punto en tierra.

Figura 1.2 Trilateración inversa espacial. Colectivo de autores 2003 [16].

1.3.1 Constitución del Sistema GPS

El sistema GPS tradicionalmente está constituido por tres sectores fundamentales: el Espacial, el de Control y el de Usuario. En la figura 1.3 se muestra el esquema de funcionamiento de estos tres sectores.

En colectivo de autores 2003 [16] y nuevos trabajos consultados, se pronuncian por incorporar un cuarto segmento: Segmento Terrestre, formado por diferentes redes de operación permanente, Centros asociados de análisis de datos y mantenimiento de archivos de datos (IGS) – International Geodynamies Service – , etc.

Figura 1.3 Esquema general de la constitución del GPS. Olivera [62].

1.3.1.1 El segmento espacial

Está constituido por la constelación de satélites NAVSTAR. La constelación está pensada para dar cobertura a cualquier hora del día y en cualquier parte del mundo. El segmento espacial proporciona cobertura con 4 a 8 satélites por encima de cualquier horizonte de cualquier lugar de la Tierra. Si la máscara de elevación en la observación se reduce a 10º, se pueden llegar a observar hasta 10 satélites. Si la máscara se reduce a 0º, se puede ver la mitad de la constelación: 12 satélites. Las principales características orbitales descritas en colectivo de autores 2003 [16] son:

• 6 órbitas casi circulares a 20180 km de altitud, nombradas A, B, C, D, E, F, con 55º de inclinación (figura 1.4).

• 4 satélites por órbita, 24 en total.

• Período de 12 horas de tiempo sidéreo.

• Visibilidad de cada satélite: 5 horas.

• La configuración se repite 4 minutos antes cada día solar.

• Existen hasta 4 satélites desactivados y disponibles como reserva.

Figura 1.4 Segmento espacial. Colectivo de autores 2003 [16].