1. TRILATERACIÓN DESDE SATÉLITES:
La coordenada exacta de un punto sobre la tierra se calcula midiendo la distancia desde un grupo de satélites hacia la posición de la antena. Asumiendo que la distancia hacia un satélite es conocida, la posición de la antena puede estar sobre cualquier punto sobre la superficie de la esfera generada.
Si se incorpora la distancia hacia un segundo satélite se generan dos esferas cuya intersección genera un circulo. La posición de la antena estará en algún punto sobre este círculo. Si se incorpora la distancia a un tercer satélite, la esfera generada se intercepta sobre dos puntos en el círculo. Uno de éstos es una posición degradada producida por una respuesta indeseada.
Se necesitan 4 satélites como mínimo para determinar la solución de las cuatro incógnitas:
coordenadas X, Y , Z Tiempo.
2.DISTANCIA HACIA LOS SATÉLITES
La distancia desde un satélite a la antena del receptor es establecida midiendo el tiempo de viaje de la señal de radio desde el satélite al receptor.
Tanto el satélite como el receptor generan un código PRN, idénticos y sincronizados entre si. Así, el receptor compara el código recibido con el generado determinando la diferencia de tiempo entre las partes iguales del código. Esta diferencia es multiplicada por la velocidad de la luz para determinar la distancia.
La precisión de la distancia depende del código del que se derive: C/A – P
3.PRECISION EN EL TIEMPO
Los cálculos dependen de cuan precisos sean los relojes
Satélites: relojes de cesio, atómicos, altamente estables, a nivel de nanosegundos. Receptores: relojes de menor precisión.
Por lo tanto, se debe corregir la posición por errores de sincronización de los relojes.
4.POSICION DE LOS SATELITES
Conocer la posición de los satélites es vital para la determinación de la posición del receptor. Los satélites son monitoreados por cinco estaciones de control distribuidas en el mundo determinando sus trayectorias y los coeficientes de corrección de los relojes.
5. CORRECCION DE ERRORES
Algunas fuentes de error de los GPS son difíciles de eliminar.
Los cálculos asumen que la señal viaja a una velocidad constante, la velocidad de la luz, sin embargo esto es posible sólo en el vacío.
Al ingresar la señal en la ionósfera y luego a la tropósfera sufre retardos de velocidad de propagación.
Cuando la señal de un satélite se ve reflejada sobre algún objeto se produce un efecto de multipaso.
Todos los receptores GPS realizan algunas correcciones para los retardos de señal.
Los efectos de multipaso son minimizados aplicando procesamiento de la señal y diseños avanzados de antenas.
POSICIONAMIENTO ABSOLUTO:
Un usuario equipado con un receptor portátil, recibe en forma pasiva señales del mensaje GPS desde 3/4 satélites o más y puede medir una distancia modificada receptor a cada satélite y determinar la posición de la antena del receptor.
La precisión del posicionamiento absoluto depende de:
Estabilidad de los satélites y receptor. Condiciones de encriptado del Código P Cantidad de ruido existente en la recepción de la señal Cantidad de canales del receptor Antigüedad de las efemérides (coordenadas de la órbita) Condiciones y estabilidad de la ionósfera y tropósfera
INFLUENCIA DE LAS FUENTES DE ERRORES EN EL POSICIONAMIENTO ABSOLUTO:
FUENTES DE ERROR GPS AUTÓNOMO (metros)
Relojes de Satélites 3,0 Errores Orbitales 2,7 Ionosfera 8,2 Troposfera 1,8 Disp. Selectiva SA 30 a 100 Reloj del Receptor* 0,3
Fuentes de error en GPS
Dilución de Precisión (DOP) DOP es dependiente de la geometría de la constelación de satélites.
DOP es expresado mediante un valor numérico adimensional DOP valores menor a 4 indica excelente precisión DOP valores de 5 a 7 son aceptables DOP valores mayores que 7 son pobres
Un alto DOP = Menor precisión en Posición
Multipaso en la Base (Gp:) Señal directa (Gp:) Señal reflejada
Lamentablemente las ondas de radio no viajan por el espacio vacío. Tienen que atravesar también la capa ionosférica que rodea la tierra.
El grado en que la ionósfera afecta a las ondas de radio depende de la densidad de carga ionosférica y del ángulo de incidencia. Efectos de la ionósfera
Con dos frecuencias se reduce el efecto de la ionósfera El retraso que ocasiona la ionósfera en la propagación de las señales es inversamente proporcional a la frecuencia.
Usando DOS FRECUENCIAS se puede determinar la diferencia entre los tiempos de retardo y por lo tanto eliminar en gran parte el efecto ionosférico.
Este efecto es más notorio durante el día.
Efectos Ionosféricos
(Gp:) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * (Gp:) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * (Gp:) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * (Gp:) < 10 Km
Líneas cortas
(Gp:) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * * * * * * (Gp:) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * (Gp:) > 10 Km
Líneas largas Efectos Ionosféricos
FORMA DIFERENCIAL Debido a los errores ya mencionados, los cálculos de posiciones con GPS pueden sufrir desplazamientos de hasta 100 metros con S/A y hasta 30 metros sin S/A.
El proceso de Corrección Diferencial consiste en obtener datos satelitales en forma simultánea por dos receptores, uno de los cuales es ubicado en una posición conocida y otro en una posición variable (base y móvil).
Las observaciones desde la base son usadas para ajustar la posición del móvil.
Para que exista Corrección Diferencial el receptor base colecta datos de la totalidad de satélites visibles y el móvil sólo de parte de la constelación.
Supuesto: la mayor parte de los errores en la señal es igual para todos los usuarios sobre una extensa área.
A 400 km de la base: precisiones de 5 metros (reducción al promediar) a menos de 100 km: precisiones de 1 metro.
Posicionamiento Diferencial Post proceso La base contrasta la posición calculada con la posición de referencia móvil. El resultado es una serie de correcciones de los datos de cada satélite medido en su respectivo tiempo. La base almacena estas correcciones las que se utilizan postproceso con el software de GPS corrigiendo los datos tomados en terreno.
SISTEMAS DE CORRECCIÓN DIFERENCIAL EN TIEMPO REAL La corrección diferencial en tiempo real se realiza al momento de efectuada la medición de campo. La base contrasta la posición calculada con la posición de referencia móvil. El resultado es una serie de correcciones de los datos de cada satélite medido en su respectivo tiempo. La base transmite estas correcciones hacia los móviles a través de sistemas de radio y módem, o por un sistema satelital y bases diseñado para este efecto, así el móvil aplica la corrección al momento de la toma de datos.
La factibilidad de corrección diferencial en tiempo real depende del tipo de receptor utilizado.
SERVICIOS DE CORRECCIONES DIFERENCIALES
PLANIFICACION DE MEDICIONES
CONSIDERACIONES GENERALES: A diferencia de la topografía clásica, las mediciones GPS no requieren intervisibilidad entre los puntos medidos.
Los receptores no envían ni reciben señales entre ellos, sólo reciben las señales de los satélites. Por lo tanto se trata de redes y no de poligonales para salvar obstáculos tales como edificios, montañas, etc.
Se requiere una vista despejada del cielo, cualquier elemento que obstruya la visibilidad reducirá la efectividad de recepción de la señal.
Las estaciones de medición deben evitar elementos que obstruyan la señal.
Las fuentes de microondas de alto poder (transmisoras de radio o TV) pueden interferir con la señal recibida,
Se debe realizar un estudio del área de trabajo para determinar los obstáculos y su grado de incidencia.
La planificación previa del terreno ayuda a:
Predecir la disponibilidad de satélites en cada punto de observación. Experimentar con las obstrucciones a la visibilidad. Determinar los mejores períodos de observación. Visualizar la disponibilidad de satélites mediante tablas y representaciones gráficas. SESIONES Y PUNTOS: Una sesión es un período durante el cual se planifican las observaciones para ver la disponibilidad de los satélites.
Un punto es un lugar en el que se planea hacer las observaciones: MARCA O ESTACIÓN.
EQUIPAMIENTOS GPS
RECEPTORES GPS vs PRECISION Tipo de medición que efectúen Tipo de códigos que usen Frecuencias que puedan procesar Cantidad de canales y satélites rastreados
ARCHIVOS DE PROCESAMIENTO. DAT: Un Archivo DAT contiene información de:
Tipo de Receptor Tipo de Antena Altura de Antena Nombre de estación Método de medición de la altura de antena Mediciones de fase portadora Parámetros de efemérides del satélite
EQUIPO MÓVIL DE MAPEO Y COLECTOR DE DATOS
EQUIPO COMPLETO DE MAPEO: MÓVIL Y BASE
COLECTOR DE DATOS PISTOLA LASER O DISTANCIOMETRO
MODALIDAD DE USO DE EQUIPO MOVIL
USO DE PDA (Personal Digital Assistant) La PDA unida a GPS funciona como un colector de datos y permite almacenar cartografía de base para la ubicación de otros elementos vectoriales.
Con PDA la captura de la información se efectúa directamente en campo, permitiendo al usuario ubicarse geográficamente en terreno y a llevar a cabo la toma de datos de forma automatizada, garantizándose la asignación a cada elemento de un código único de identificación; un único par de coordenadas XY (no reasignables a otro elemento) y los demás atributos de información que se capturan por observación o medición objetiva propias de la información que está siendo censada.
La capacidad de almacenamiento interno de las pdas, incluso de las más potentes, es muy pequeña. Para compensar este inconveniente la cartografía digital se almacena en tarjetas de memoria compact flash (CF) o secure digital (SD).
Para rendir al máximo de sus posibilidades una Pda necesita de una minuciosa preparación previa del recorrido con el software: cartografía y tracks, waypoints y rutas de referencia.
También resulta imprescindible aprender a configurar diferentes funciones del programa, sobre todo las referentes a la visualización y obtención de tracks y waypoints.
Configuración de un equipo de navegación Hay algunas consideraciones que deben tener en cuenta al adquirir un sistema de navegación basado en una pda. Es conveniente que piensen de antemano en los componentes del sistema, ya que no todos los elementos son compatibles. • Pda: La elección de la pda condiciona el tipo de receptor (GPS, compact flash) y el formato de tarjeta de memoria que se puede utilizar. • GPS compact flash. Los GPS compact flash se insertan en la ranura CF de la pda. En general los receptores compact flash disponen de puertos de comunicación específicos. No tienen ningún problema de comunicación. La limitación principal de los GPS CF es que se alimentan de la batería de la pda, lo que reduce la autonomía. Obviamente, para utilizar un GPS compact flash es imprescindible que la pda disponga de una ranura de expansión de memoria extra para almacenar la cartografía. • GPS mouse. Los receptores tipo mouse se conectan a la pda por cable y tampoco ofrecen problemas de comunicación, normalmente trabajan con el puerto COM-1. Los GPS mouse se alimentan, compartiendo la toma de corriente con la pda. El principal inconveniente puede ser la disponibilidad de un cable de comunicación específico par el modelo de pda. • Bluetooth. La tecnología Bluetooth facilita el intercambio inalámbrico de información a corta distancia entre diferentes dispositivos electrónicos, pdas y GPS entre otros. Funciona por medio de un enlace de radiofrecuencia de corto alcance y bajo consumo que permite prescindir de los molestos cables de conexión. Con un precio cada vez más competitivo los GPS Bluetooth se están imponiendo sobre los demás tipos de receptores. Las ventajas que ofrecen son importantes: independencia y autonomía. Sin embargo, el sistema todavía ofrece algunos problemas de comunicación.
INTEGRACION GPS / SIG ACTUALIZACION CARTOGRAFICA BASE
INTEGRACION GPS / SIG CARTOGRAFICA BASE Y CAPTURA DE DATOS EN ZONAS RURALES
Los GPS contienen una herramienta para la captura de datos para un SIG.
El software asociado permite transferir los datos a un SIG en forma fácil y eficaz. Con las herramientas de GPS/PDA se pueden definir diccionarios de datos (tablas o bases de datos) y recoger los atributos en terreno al mismo tiempo que se recogen los datos de posición.
DEFINIENDO LOS DATOS: Para definir los datos a recopilar con GPS y que serán utilizados en el SIG, se crea el Diccionario de Atributos (tabla o lista de características), este se transfiere a un Colector de Datos (PDA) y se almacena en formato digital.
CONSIDERACIONES AL CREAR UN DICCIONARIO DE DATOS: ¿Cuál es la Aplicación del SIG?
Esto afecta la información de características o atributos que se quiera obtener.
¿Cuántas características o atributos se requieren?
La herramienta de GPS/PDA tiene límites de memoria para almacenar datos (dependiendo del equipo y software). Se debe tener en cuenta el tiempo requerido para recoger los datos en terreno al aumentar la información (el proceso es mayor cuanto mayor es la cantidad de datos).
¿Cómo se han estructurado los datos?
Se debe tener en cuenta cómo se relacionan los datos en un SIG (identificador, código) para diseñar en forma óptima el diccionario de datos.
¿Cómo se va a realizar la colección de datos?
Pueden combinarse diferentes características en un archivo, o pueden recogerse en forma separada en distintos archivos.
¿Cuáles son las limitaciones de un Diccionario de Datos?
Limitaciones internas como el espacio o capacidad de almacenamiento. Limitaciones de longitud de un carácter y el número de características.
¿Qué unidades, datum y sistema de coordenadas se requiere?
Estos parámetros se configuran tanto en el software de proceso como en el colector de datos. Deben ser compatibles con otras fuentes de datos geográficos ha utilizar en el SIG.
¿Qué nomenclatura se utilizará para el nombre de los archivos?
Es importante predefinir y homogeneizar los nombres de los archivos a fin de poder identificarlos fácilmente.
Ejemplo de diccionario de datos
Capturando los detalles de un Camino Desde el Camino directo al Sistema Catastral
Los mapas aseguran la uniformidad y facilitan las actividades censales (antes del empadronamiento). Las oficinas de censos tienen que asegurar que se cuenta cada hogar y cada persona del país y, al mismo tiempo, que a ninguno de ello se los cuenta dos veces. Para esto, los geógrafos dividen el territorio nacional en pequeñas unidades informantes y, de este modo, los mapas pasan a ser un instrumento de control esencial que garantiza la consistencia y la exactitud de los censos.
• Los mapas facilitan la reunión de datos y pueden ayudar a supervisar las actividades censales (durante el empadronamiento). Manual de sistemas de información geográfica y cartografía digital. Estudios de Métodos. Serie F Nº 79 Departamento de Asuntos Económicos y Sociales División de Estadística Naciones Unidas Nueva York, 2000
APLICACIÓN PRACTICA GPS/SIG SEGMENTACION DINAMICA DE RUTAS
Definición Segmentación Dinámica es el proceso de ubicar, a lo largo de líneas previamente calibradas, entidades geográficas lineales o puntuales (eventos). Permite asociar múltiples conjuntos de atributos a cualquier porción de una entidad lineal. Estos atributos luego, pueden ser almacenados, desplegados, consultados y analizados sin afectar la coordenadas de los datos lineales ni su geometría. Modela elementos lineales usando rutas o eventos de rutas.
SEGMENTACION DINAMICA:
Procedimiento por el cual se pueden “localizar” por “ distancia” o Variable “M” elementos puntuales y lineales sobre un “Sistema de Rutas”.
La base de información que se toma para generar los procedimientos de segmentación dinámica, son los Arcos (líneas) que componen las rutas y la información alfanumérica, referida a un sistema de medidas, que está asociada a cada uno de estos arcos.
SEGMENTACIÓN DINÁMICA SISTEMA DE RUTAS BASE DE DATOS DE LAS ENTIDADES GEOGRÁFICAS Código único del camino o de la Ruta Punto de inicio (kilómetro) Punto de término (kilómetro) Código del camino al que pertenece el objeto Si es puntual: Punto de localización (numérico/kilómetro) Si es lineal: Punto de inicio (kilómetro inicial) Punto de término (kilómetro final)
… Segmentación Dinámica 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 Arcos Reales Definición de rutas Ruta 1 1 2 3 4 12 9 origen Ruta 2 7 2 3 4 5 10 origen
Necesidad de Referenciamiento Lineal En lugar de usar medidas basadas en coordenadas (x,y), la segmentación dinámica simplifica los datos usando una posición relativa simple (distancia). La ubicación entonces, es dada en términos de un elemento conocido y una posición o medida sobre él. Por ejemplo, ruta 8, kilómetro 23, identifica únicamente una posición en el espacio geográfico sin tener que expresarlo en coordenadas (x,y), o latitud/longitud. Esto es REFERENCIAMIENTO LINEAL La geometría de rutas difiere de otras geometrías lineales en que en lugar de ser una colección de coordenadas (x,y), es una colección de valores (x,y,m), m es el valor M donde se almacena la medida o distancia.
Rutas Si consideramos la red vial, comúnmente estas medidas representan distancias sobre la ruta pero también pueden representar tiempo, costos, u otros eventos que ocurran a lo largo de la misma. Estos valores M medidos se almacenan en cada vértice de las polilíneas que componen la ruta o la red. El valor medido es independiente al sistema de coordenadas usado para representar al elemento geográfico, en este caso la ruta.
¿Qué se requiere para aplicar Segmentación Dinámica? Una cobertura o capa de información de Rutas con georeferenciación espacial (x,y) a la cual se le aplica una calibración por “distancia” o variable “M”. Sistema de Rutas: X, Y, M y sentido de la ruta ¿Cómo se obtiene la cobertura de Rutas? A través de levantamiento con GPS de precisión: X,Y ¿Cómo se calibra la cobertura para obtener el sistema de Rutas? A través de software SIG que permitan incorporar el elemento “M” en la cobertura: Arcview – ArcInfo NT – ArcGis.
Calibración Un elemento geográfico lineal calibrado, o ruta calibrada, es simplemente una polilínea que contiene valores M (medidas) y un identificador. Dichos valores M almacenan información de medidas realizadas sobre dicha ruta, por ejemplo kilómetros medidos en distintos puntos de la ruta que serán usados para calibrarla. La calibración se realiza tomando medidas sobre ciertos puntos de la ruta (por ejemplo las balizas) para que el software pueda interpolar o extrapolar el resto de los valores para la polilínea como muestra la siguiente figura:
Eventos En una red vial, las referencias a elementos sobre la ruta pueden ser almacenadas y organizadas en tablas, las cuales llamamos tablas de eventos. Una tabla de eventos es una tabla cualquiera que contiene un campo que es identificador de ruta, y por lo menos un campo que contiene valores de distancia referidas a dicha ruta (ej. Kilómetro). Las tablas que contengan referencias a puntos sobre la ruta, a los cuales llamamos eventos puntuales, contienen un campo para almacenar valores de distancia sobre la ruta, mientras que las tablas que contiene dos de estos campos de medidas son tablas que contienen referencias a tramos sobre la ruta, los cuales se denotan como eventos lineales. El campo identificador de ruta sirve para referirse a una ruta en particular sobre la red vial.
Eventos Tabla de eventos puntuales contiene muchos eventos. Cada evento de punto hace referencia a un lugar preciso en la ruta. Por ejemplo, el evento puntual 1 (OID =1) hace referencia al KM 30 (KM=30) de la ruta 8 (RUTA=8). En este ejemplo el campo KM de la tabla de abajo es el usado para referirse al valor M medido o interpolado sobre la polilínea calibrada donde se define la ruta 8. Ruta 8 0.0 62.0 El identificador de cada ruta es almacenado en cualquier campo de tipo numérico o alfanumérico (RUTA). Una ruta es una polilínea con valores de medida M. Un evento es una fila en una tabla de eventos. Un evento contiene una referencia a un lugar en una ruta (punto o línea). Evento lineal Evento puntual Polilínea con valores M DesdeKM denota el KM donde comienza el tramo, HastaKM denota el KM donde finaliza el tramo.
Eventos La fuente de eventos sobre rutas sirve como una tabla de eventos como una capa geográfica “dinámica”. Cada registro en la tabla representa un elemento geográfico cuya ubicación es calculada en tiempo real según la distancia (kilómetro). Esto es segmentación dinámica.
Detección de errores La tecnología de segmentación dinámica incluye también el reporte del estatus de ubicación de los elementos a ubicar. A veces, estos elementos no pueden ser ubicados, es decir su ubicación no pudo ser calculada por la segmentación dinámica. Esto se debe a que existen ciertas razones que impiden ubicar correctamente a dicho evento sobre la ruta. Otras veces, un evento puede ser parcialmente ubicado (esto ocurre solo para eventos lineales). Los siguiente son algunos ejemplos de estos errores:
Detección de errores Ejemplo de tabla de eventos lineales con mensajes de errores asociados Ejemplo de tabla de eventos puntuales con mensajes de errores asociados (Gp:) Ruta 8 (Gp:) 0.0 (Gp:) 62.0
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