Medición de Pseudodistancias.
Con los métodos de medición del sistema GPS, se miden distancias entre la antena del Receptor y los Satélites.
Para la solución geométrica son suficientes tres mediciones de este tipo:
La posición de la antena viene dada por el punto de intersección de tres esferas, con la posición de los satélites como centro de las esferas y tres distancias medidas como radios. La distancia desde el Receptor al Satélite se obtiene por medio de una medición del tiempo de propagación con ayuda del código GA, o bien, el código P. Simplificando se puede representar como sigue: El Satélite transmite un impulso (Código), el cual contiene como información adicional el instante de la emisión (a) y en el Receptor se mide el momento de llegada (b) del impulso y se lee la información contenida sobre el instante de emisión, la diferencia de tiempo (b-a) multiplicada por la velocidad de propagación de la señal da la distancia siempre que el reloj del Satélite y del Receptor estén perfectamente sincronizados, ya que normalmente éste no es el caso, se obtiene una distancia falsa proporcional a la diferencia de relojes, dicha diferencia o desfase de relojes va a entrar como una incógnita más en las ecuaciones del cálculo de la distancia al Satélite.
Medida de Código:
Pseudodistancia en metros de acuerdo con la definición:
Constante del reloj del Receptor.
Constante del reloj del Satélite.
Instante real de la Transmisión de la señal.
Instante de la Transmisión en el marco de tiempo real del Satélite.
Instante real de la Recepción de la señal.
Instante de Recepción de la señal en el marco de tiempo del Receptor.
La Pseudodistancia no está corregida de efectos externos: retardo ionosférico, refracción atmosférica, error del reloj del satélite, etc.
Medición de distancias con medidas de fase.
Contrariamente a la Pseudodistancia, en la que se mide el tiempo de propagación con ayuda de los códigos modulados C/A ó P, aquí se mide el desfase de la onda portadora y la fase de la señal llegada del Satélite es comparada con la fase de una señal de referencia generada en el Receptor.
Del desfase se obtiene una parte de la distancia como parte de la longitud de onda; esto significa en la medición hecha la frecuencia L1, que es una parte de la distancia comprendida en 1cm, en la frecuencia L2 en 24cm y esto con resolución en el ámbito sub-milimétrico, en principio el número de longitudes de ondas completas en la distancia Satélite-Receptor permanece desconocido, es por ello que el programa de cálculo tiene que estar en condiciones de determinar el número de longitudes de onda desconocidas para poder calcular las coordenadas de la estación.
Medida de portadora de fase:
Fase continua expresada en ciclos de las portadoras L1 y L2, de acuerdo con la definición: phi = Fase Generada por Receptor-Fase Recibida.
Método Diferencial.
Las señales de los Satélites son recibidas simultáneamente por dos Receptores y con este método se anulan un cierto grado de errores inevitables como la imprecisión de la órbita del Satélite y se obtiene con ello una mayor precisión que con la determinación de un punto aislado, es entonces donde se utiliza el método de medición de fase que da una mayor precisión que el de la medida de la Pseudodistancia y evidentemente es necesario restituir en un ordenador los puntos medidos en distintas estaciones.
Los errores que se eliminan utilizando el Método Diferencial son los siguientes:
Disponibilidad Selectiva. (SA)
Retardo Inosférico.
Retardo Troposférico.
Error en las efemérides.
Error del reloj del Satélite.
Medición GPS Diferencial en tiempo real para batimetría.
Como hemos podido ver anteriormente, solamente con el Método Diferencial se pueden obtener altas precisiones, debido a que con este método se anulan las principales fuentes de error, esto exige el trabajar con dos Receptores GPS de forma simultánea y básicamente obtendremos de forma precisa la posición relativa entre ambos Receptores.
Para la realización de batimetrías utilizaremos el método diferencial en tiempo real, es decir, dispondremos de nuestra posición precisa en el instante de medición, esto es posible gracias a un Radio enlace entre la estación de referencia y el equipo móvil que va instalado en la embarcación, la precisión que se puede obtener en la posición está condicionada por el tipo de observable que utilicemos, es decir, código o fase y dicha precisión va a ser la que determine nuestra metodología de trabajo.
Antes de continuar expondremos las dos tareas que tienen que cumplir un sistema para levantamiento batimétrico:
1) Navegación, es decir, el sistema debe de ser capaz de indicarnos que camino debemos de seguir para no crear zonas de solapes indeseados o bien que nos indique por donde debemos llevar la embarcación por unos perfiles predeterminados.
2) Sincronización de los datos recibidos por el instrumento de medidas de profundidades (En nuestro caso, Ecosonda) y por el instrumento que nos indica plan métricamente, donde se ha producido esta medida de profundidad. (GPS)
Los sistemas clásicos utilizados hasta el momento solucionaban el problema de diferentes maneras.
Escandallo y métodos topográficos clásicos.
Escandallo: Las primeras sondas eran simples pesos de plomo de forma troncocónica (Escandallo) atados a una cuerda (Sondaleza), que se dejaba caer hasta tocar el fondo, este tipo de sonda sólo se utiliza hoy en día para trabajos muy expeditos y cercanos a la costa para obtener calidades de fondo.
Para tomar la posición existen dos variantes:
Método Intersección Directa: Se marran las cabeceras de los perfiles a seguir por la embarcación y se estaciona uno de los teodolitos en el perfil, orientando en otro de los perfiles, este teodolito introducirá a la embarcación dentro del perfil y cambiará de estación para cada perfil, el otro teodolito se coloca en otro punto de coordenadas conocidas y tomará lectura angular marcando el instante para tomar lectura de profundidad con el escandallo.
Método Polar: Este método solo requiere de una estación total o teodolito y distanció metro, estacionado en la cabecera de cada perfil y orientado pertinentemente. La estación total obtendrá las coordenadas de un prisma, o conjunto de prismas, instalados sobre la embarcación y a su vez guiará a la embarcación a lo largo del perfil, deben de sincronizar el momento de medición sobre el prisma y el momento de lectura de profundidad con el escandallo.
Este sistema presenta varios errores, en sus dos variantes y por una parte, se necesita una gran coordinación en el momento de la medición de distancia y profundidad, ya que por muy bien que se realice la sincronización siempre existe una diferencia entre el punto de visualización y el punto de fondeo del escandallo y por otra parte, el error más importante es el valor de la profundidad, pues la estimación visual que se realiza en el escandallo hay que corregirle de la variación del nivel del mar, así como de las oscilaciones del barco producidas por el oleaje.
Ecosonda y métodos topográficos clásicos.
Este sistema es idéntico al anterior en cuanto a la metodología empleada en el método topográfico y en sus dos variantes, lo que varia es el método de medición de profundidad, que en este caso se realizará con una sonda que detallaremos a continuación.
Las primeras sondas eran manuales, actualmente dibujan directamente el perfil del fondo mediante un procedimiento análogo al de los sismógrafos y donde el equipo de sondeo está diseñado para producir el sonido, recibir y amplificar el eco, medir el tiempo transcurrido desde la emisión y la recepción del sonido, así como convertir este intervalo de tiempo en unidades de profundidad y registrar estas medidas de profundidad en una banda de papel instalado sobre un tambor giratorio. El sonido es producido por un "Transductor", que automáticamente convierte un impulso eléctrico en una onda sonora, el Transductor también recoge el eco reflejado por el fondo y lo convierte en una señal eléctrica, que es amplificada y registrada en unidades de profundidad sobre una banda graduada.
Las ondas sonoras son emitidas por el Transductor a intervalos de tiempo muy cortos; así por ejemplo un modelo portátil de sonda de esta clase, cuya máxima profundidad de alcance no llega a los 75m, hace los sondeos a la velocidad de 600 por minuto.
El sonido atraviesa el agua a una velocidad casi constante, pero esta velocidad (Aproximadamente 1440m/s) varía con la temperatura, salinidad y profundidad (Presión).
Los instrumentos de sondeo acústico operan para cierta velocidad del sonido, que se llama "Velocidad de Calibración" y todos los sondeos están afectados por un error cuya magnitud es directamente proporcional a la diferencia entre la velocidad de calibración y la real de transmisión en el agua al hacer el sondeo, existen tablas que dan la corrección que hay que aplicar para los distintos valores de la temperatura, la salinidad y la profundidad.
Muchas de las sondas portátiles de esta clase están equipadas de modo que se puedan corregir antes de hacer los sondeos, teniendo en cuenta dichos valores para obtenerla profundidad real del sondeo.
Este ajuste se hace bajando una barra de contraste hasta cierta distancia por debajo del Transductor y regulando la velocidad de transmisión, ganancia, etc., de modo que el instrumento registre la profundidad real de la barra, las sondas de eco tienen de ordinario una precisión instrumental que varía desde unas centésimas por ciento de la profundidad, en las grandes instalaciones permanentes hasta 0,5% de la profundidad en las sondas portátiles y el valor medio de la velocidad de propagación de las ondas acústicas en el mar es 1500m/s, dicho valor, sin embargo es incierto y una fuente de error clara.
El método de levantamiento con Ecosonda y métodos clásicos es más preciso en sus dos variedades que el anterior, sobre todo en lo que se refiere a profundidad que es más preciso y rápido (Después de una adecuada calibración de la sonda).
Tendremos especial cuidado en realizar frecuentes calibraciones del Ecosonda para alcanzar unas medidas de profundidad más fiables.
Una de las principales fuentes de error es debida a las variaciones de marea y oleaje durante la realización de la batimetría, donde el error debido a la variación de la marea, se corrige mediante el registro de estas variaciones, después de realizar unas medidas periódicas a lo largo del día del trabajo. En cuanto al error debido al oleaje, nos encontramos con un problema de difícil y costosa solución ya que es necesaria la utilización de equipos de compensación de oleaje.
Ecosonda y GFS. (Con observable de código).
Este el método utilizado desde algunos años por numerosos profesionales para realizar levantamientos batimétricos y que muchos fabricantes de accesorios para la navegación, han incorporado en su gama de productos como equipos estándar y soluciones totalmente terminadas, pero que solamente se pueden utilizar para levantamientos expeditos con precisión del entorno del metro, debido a factores que más tarde analizaremos.
Básicamente el equipo se compone de los siguientes elementos, como se muestra en la figura 10:
Figura 10. Equipos que componen al Ecosonda y GFS.
Se estaciona en tierra en un punto de coordenadas conocidas, un equipo de una o dos frecuencias enviando por un Radio Modem correcciones estándar de código RTCM. (Radio Technical Commission for Maritime Services), en la embarcación se coloca un equipo GPS de una frecuencia (Suficiente para este tipo de aplicación) y la Ecosonda Digital, es importante instalar la antena GPS sobre la misma vertical que el Transductor de la Ecosonda, para de esta manera no sea necesario el realizar correcciones por la excéntrica de antena GPS y Transductor.
Una vez instalados estos dos elementos, se envía a través de los puertos serie de un PC el mensaje NMEA corregido de Pseudodistancia, desde la estación de tierra y por otra parte la lectura de profundidad desde la ecosonda, en el PC va instalado un programa de navegación que es el encargado de realizar las dos tareas que debe de realizar un equipo batimétrico: Navegación y Sincronización de los datos procedentes de la Ecosonda y el GPS (X, Y, Profundidad).
Decíamos que es una solución estándar porque los programas de navegación incorporan el protocolo de comunicación con las distintas marcas y modelos de GPS así como de Ecosondas.
Este sistema proporciona un rendimiento inigualable comparado con cualquiera de los métodos anteriormente citados ya que podemos levantar puntos (X, Y, Profundidad) con cadencia de un segundo e incluso de fracciones de segundo y por otra parte tampoco es necesario un operario en tierra que vaya guiando la embarcación puesto que dispondremos de la información necesaria para situarlo con suficiente precisión sobre el perfil teórico.
Pero por el contrario tendremos estos errores e inconvenientes:
1) Error en la posición de carácter sub-métrico debido a la precisión que proporcionan las observables GPS de solo Código.
2) Errores debido a la sincronización entre el instante de toma de posición y profundidad: Los programas estándar de navegación no están diseñados para trabajar con un alta precisión, ya que la sincronización se realiza con asignación de tiempos por entrada de datos en las puertas serie del PC, hay algunos programas de navegación, en los cuales podemos introducir un retardo aproximado desde el instante de toma de posición o profundidad hasta el momento de anexión de datos de profundidad y posición, hemos podido estimar que este retardo es variable en función de diversos factores, estimando que el retardo sufrido se halla en el entorno de 1 a 3Segundos, este error se hace patente cuando el terreno a levantar tiene una gran pendiente y conforme se aumenta la velocidad de desplazamiento de la embarcación.
3) Sigue indeterminado el problema de mareas y oleaje de una manera integrada en el, mismo sistema, debiendo corregir estos errores del mismo modo que en los métodos anteriores.
4) Se precisa de instrumentación clásica para realizar el trabajo de tierra; cabecera de perfiles, bases, etc.
Ecosonda digital y GPS. (Con observable de fase).
Básicamente el sistema se compone de los siguientes elementos:
1) Como estación de referencia dispondremos de un Receptor GPS de doble frecuencia, Unidad de Control conectada a un Radio Modem enviando correcciones de código y mensaje con observable de fase en tiempo real.
2) Como se muestra en la figura 11, el sistema a bordo de la embarcación está compuesto por:
Un Receptor GPS de doble frecuencia.
Unidad de Control en la que corre el Software para el tratamiento de observables de fase en tiempo real.
Radio Modem recibiendo las correcciones procedentes del equipo de referencia, Ecosonda digital y PC portátil.
Figura 11. Composición de un sistema a bordo de la embarcación.
En cuanto a las conexiones se puede observar que existen dos variantes, en relación al sistema estándar de batimetría con GPS, según se muestra en la figura 12.
a) En primer lugar, consideramos el hecho de utilizar como opción más aconsejable, Receptores de doble frecuencia puesto que al trabajar con medidas de fase, es necesaria la inicialización para la resolución de ambigüedades y tan solo los equipos de doble frecuencia son capaces de inicializar en movimiento (OTF), evitando por tanto tener que desmontar el equipo de la embarcación e inicializar en tierra cada vez que el sistema se quede con menos de 4 Satélites, con un equipo de estas características y utilizando el método apropiado se puede obtener en tiempo real, coordenadas en el sistema de referencia Local, con precisión de 2 a 3cm + 1ppm, tanto en planimetría como en altimetría, el hecho de obtener la cota del punto nos permite realizar la batimetría sin tener en cuenta el estado de la marea y corregir la variación de altura de la antena GPS-Transductor, debido al oleaje.
Figura 12. Elementos que intervienen en un Sistema estándar de Batimetría con GPS.
b) En segundo lugar se consigue un grado de sincronización mucho más alto debido a que todos los registros tomados, tanto la posición de la antena GPS (X, Y, Z) como la profundidad medida por la Ecosonda, incorporan una señal de tiempo enviada por el Receptor GPS (Según se muestra en la figura 13) que nos permite realizar una correlación entre ambas medidas.
Figura 13. Equipo Receptor GPS.
Para ello es imprescindible que la Ecosonda incluya la posibilidad de entrada del mensaje NMEA (El cual incluye el instante de la toma de la posición en Tiempo GPS), para que de esta manera asocie instante de toma de posición (X,Y, Z) al instante de toma de profundidad, los datos de profundidad más tiempo quedan almacenados en el PC portátil, el cual incluye el Software de navegación, cuya única misión es la de planificar los perfiles y guiarle por ellos, de esta manera evitamos la deficiente sincronización que nos proporciona este tipo de programas.
Existe una configuración alternativa que nos permite simplificar el sistema, para ello es necesario que el sistema GPS posea una Unidad de Control con la capacidad de gestión y replanteo de líneas (Perfiles), como por ejemplo la CR344 del Sistema 300 de Leica, que fue el equipo con el que se realizaron todas las pruebas y de este modo podemos eliminar de la configuración el Software de navegación y sustituir el PC por un Palmtop PC cuya autonomía y tamaño es más apropiado para su instalación en pequeñas embarcaciones.
Conclusiones
En el diseño realizado se pudo corroborar lo planteado en la introducción en cuanto al relieve del terreno, el cual es predominantemente bajo como se muestra en el papel de 4/3 habiendo una sola elevación a tomar en cuenta.
Se realizó un análisis para dos valores posibles de K previendo posibles situaciones ambientales anómalas.
En el análisis se dio como resultado que para la 1ra Zona de Fresnel continuará liberará en un 71% en los 2 valores posibles de K analizados, la antena Receptora tendrá una altura de 60Km y la antena Transmisora tendrá una altura de 40m.
Se realizó un Balance Energético tomando en cuenta todas las posibles pérdidas que afectan las señales a esta frecuencia y tomamos en cuenta los valores de potencia y sensibilidad de los equipos a utilizar, pudiendo comprobarse con los cálculos realizados que el nivel de señal más bajo que llega al Receptor está muy por encima del valor de sensibilidad del mismo, teniendo en cuenta por lo tanto un margen de umbral (MU) mayor que ¨0¨
En cuanto a las técnicas de medición planteamos una de las más conocidas y a modo de conclusión sobre él mismo se nombrará las siguientes ventajas con respecto a cualquier sistema estándar de batimetría con GPS:
Se dispone de una precisión de 2cm a 3cm + 1ppm en la posición de la antena GPS (X, Y, Z) frente a la posición sub-métrica ofrecida por otras soluciones.
La sincronización entre el instante de toma de posición y profundidad se realiza de forma más eficaz mediante el método anteriormente descrito, proporcionado grados de sincronización por debajo del Segundo.
En cuanto a la compensación de los errores debidos al efecto de mareas y variación de altura debida al oleaje, quedan total y automáticamente eliminados al disponer de cota precisa en la posición de la antena GPS, debemos de tener en cuenta los errores accidentales producidos por cabeceo y balanceo de la embarcación, estos errores se pueden minimizar acortando la distancia entre antena GPS y Transductor, sobre todo consideramos imprescindibles el aprovechar los momentos del mar en calma para la realización de batimetrías.
Ya que se requiere un equipo de precisión centimétrica para realizar este trabajo, no es necesaria instrumentación clásica para completar el trabajo en tierra, además al disminuirse el número de instrumental a bordo es posible trabajar con embarcaciones de poco calado que nos permita una mayor aproximación a tierra.
Este sistema ha sido desarrollado gracias a una colaboración de LEICA e INTOPSA que actualmente utiliza este sistema obteniendo un rendimiento y resultados excelentes.
Las primeras pruebas se realizaron en el embalse de Navalcan (Toledo) del que se disponía de un levantamiento por métodos fotogramétricos durante un vaciado del embalse y con el que se pudo comprobar que las diferencias obtenidas entre ambos modelos digitales eran del orden de 5cm.
Bibliografía
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RTCM RECOMENDED STANDARDS FOR DIFERENTIAL NAVSTAR GPS SERVICE. Radio Technical Commission For Maritime Service. Enero 1994
Autor:
Maytée Odette López Catalá
Virgilio Zuaznabar Mazorra
Curso: 2008-2009.
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