A nova era dos sistemas espaciais na topografía e a geodesia

2007/02/01 Bastarrika Izagirre, Aitor - Kartografia eta Geodesia ingeniaria eta Topografia Ingeniaritza Teknikoko irakasleaEHU | Elgezabal Otsoa De Txintxetru, Aitziber - EHUko Topografia Ingeniaritzako irakaslea | Artano Perez, Karmele - EHUko Topografia Ingeniaritzako irakaslea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Telekomunikazioak
• Teknologia
• Geografia

A topografía pretende representar as características naturais e artificiais da Terra. Analiza, por tanto, os métodos e técnicas necesarias paira medir, recibir e publicar información gráfica e espacial de calquera punto ou elemento da Terra.

Paira poder localizar e representar os elementos da Terra, a topografía debe coñecer a forma e dimensións da Terra, que é o que ofrece a ciencia da geodesia.

Cambios nas últimas décadas

Os primeiros avances en topografía e geodesia tiveron lugar tras a Segunda Guerra Mundial. Entón desenvolveron gran cantidade de electrónica, mecánica, óptica, matemáticas, física... que revolucionaron as ciencias geomáticas, entre elas a topografía e a geodesia, desenvolvendo novos métodos e ferramentas. Estes métodos realizan a medida electrónica da distancia e os ángulos a partir de ondas electromagnéticas. Posteriormente, o desenvolvemento da informática permitiu o desenvolvemento de software paira a xestión de datos tantos matemáticos como xeográficos, permitindo a realización automática de complexos cálculos manuais.

A seguinte revolución chegou da man dos satélites. A partir dos anos 70, o uso de satélites artificiais supuxo enormes beneficios na topografía e, sobre todo, na geodesia. De feito, ademais de situar con precisión puntos moi afastados entre si, a geodesia espacial abriu novas posibilidades paira estudar a forma da Terra, a geodinámica da Terra e a forza de gravidade. Sen dúbida, podemos afirmar que metodológicamente estamos ante unha revolución: superados os clásicos da geodesia e a topografía, os sistemas espaciais GNSS (Global Navigation Systems) abriron novos camiños, tanto en traballos topográficos convencionais como en traballos e investigacións de geodesia.

Localización

Comprender como se determina a localización do usuario mediante sistemas espaciais é relativamente sinxelo. As coordenadas de localización (X,E e Z) calcúlanse polo método da trilateración.

A trilateración é un método común en topografía. Con este método, medindo a distancia entre un punto como o punto A e tres puntos fixos con coordenadas coñecidas, pódense obter as coordenadas de posición do punto A (X, E e Z).

Nos sistemas espaciais, os puntos coñecidos son os satélites, e a posición do receptor coñécese medindo a distancia desde o lugar onde se atopa o receptor até os satélites. Os satélites emiten continuamente sinais de radio e, paira calcular a distancia, mídese o tempo transcorrido desde o satélite até o receptor e multiplícase pola velocidade da luz. Dise que se trata dun sistema pasivo, xa que os receptores só reciben sinais. Mediante este sistema, millóns de persoas poden coñecer a súa localización simultaneamente.

Paira medir o tempo, os satélites teñen reloxos atómicos de gran precisión. Os reloxos atómicos son capaces de medir con precisión o tempo. Os reloxos dos receptores, pola súa banda, son menos precisos, pero chegan a alcanzar una gran precisión, xa que se estima matematicamente a diferenza entre os reloxos dos satélites e os reloxos dos receptores. Para que esta estimación sexa posible é necesario coñecer a distancia mínima dun receptor a catro satélites. Matematicamente, bastarían tres coordenadas de localización (X, E e Z) inéditas, pero o cuarto satélite permite resolver a cuarta incógnita, é dicir, o erro do reloxo do receptor.

Pseudodistancia e medidas por fase

Paira medir a distancia desde o receptor aos satélites existen dúas metodoloxías: a medida con código e a medición en fase.

Na medida con código, ademais do sinal, o satélite envía un código modulado a unha determinada frecuencia de onda. Por correlación deste código pódese coñecer o tempo que tarda o sinal en chegar ao receptor, e multiplicando este dato pola velocidade da luz conséguese coñecer a distancia entre o satélite e o receptor. Esta medida de distancia denomínase pseudodistancia. Os receptores de navegación así o indican, por exemplo, os receptores utilizados tanto en vehículos como en montaña. Con este método conséguese una precisión na localización de 15-30 metros.

Con todo, a precisión de 15-30 metros é claramente inaceptable paira a geodesia e a topografía, nos que se require una precisión duns milímetros e centímetros. Por iso, nestes casos, as distancias do satélite ao receptor mídense mediante a fase de onda. As medidas por fases baséanse na propia onda e non nos códigos modulados na mesma. E como a lonxitude de onda da onda é duns poucos centímetros, a distancia pódese medir moito máis exactamente e pódese obter una localización exacta. Con todo, a medición por fases presenta un obstáculo importante. Aínda que no sinal que chega ao receptor pódese coñecer facilmente o desfasamento de ondas, non é tan sinxelo saber o número total de ciclos. É o problema da ambigüidade de ciclo. Paira entendelo hai un XIX. Un bo exemplo do século XX.

XIX Estados Unidos. Os medidores das Grandes Chairas (Great Plain) do século XVIII medían os terreos públicos que atravesaban os campos abertos da seguinte maneira: nun carro repleto de pedras ou estacas ían tres persoas; una conducía o carro; a outra, cun compás, mantiña o carro na orientación a seguir; e a última, contaba o número de xiros que dera un anaco de tea unido á roda do carro. Cando a tea daba tantas voltas como una milla, puñan una pedra ou una estaca e seguían adiante.

O sistema de posicionamento por satélite é equivalente á persoa que mide o número de revolucións da roda, coa diferenza de que cando sobe ao carro tómbase detrás e dórmese. Cando se esperta preocuparase e empeza a tentar pescudar a distancia; sabe que nese momento a roda está no medio da xira, pero non sabe cantas voltas completas deu. É o caso da ambigüidade de ciclo: o receptor sabe o desfasamento, pero non o número de ciclos completos.

O número total de ciclos calcúlase mediante software, mediante algoritmos, que nos últimos anos melloraron considerablemente: en pouco tempo (en poucos segundos ou en poucos minutos) poden coñecer o número de ciclos. Paira o cálculo do número total de ciclos, estes algoritmos deben conter polo menos datos instantáneos doutro receptor. Por tanto, cun só receptor non se pode coñecer máis que a pseudodistancia.

Localización diferencial por fases

En topografía e geodesia utilízase a localización diferencial por fases paira realizar medicións de alta precisión. Esta metodoloxía permite coñecer con gran precisión o vector tridimensional (chamada liña basee) entre dous receptores. O cálculo de leste vector require necesariamente datos simultáneos de dous receptores topográfico-geodésicos.

A localización diferencial baséase en que os sinais que chegan a ambos os receptores sofren os mesmos erros. Ao estar os satélites a uns 20.000 quilómetros, os sinais emitidos por eles teñen que realizar unha longa viaxe atravesando a ionosfera e a troposfera paira chegar ao receptor, no que sofren una serie de cambios ou erros.

Pódese supor que esta viaxe é o mesmo paira os dous receptores, polo que o sinal do satélite terá o mesmo erro nos dous receptores, o que permite obter o vector entre receptores cunha precisión enorme (precisión en milímetros a dez quilómetros). A partir de aí, e estando un dos dous receptores colocado nun punto de coordenadas coñecidas (fixado exactamente sobre un trípode, sobre o punto), calcúlase a posición do segundo receptor: coñecendo as coordenadas exactas da orixe do vector, é posible coñecer con precisión as coordenadas do segundo punto do vector.

Este método permite realizar o cálculo da localización despois das observacións, tanto na oficina como no momento. A localización actual denomínase RTK (Real Time Kinematic). Nos traballos realizados por RTK, o receptor situado en coordenadas coñecidas (denominada base) envía en tempo real os datos obtidos do satélite ao outro receptor (chamado móbil), normalmente mediante sinais de radio. Como este sinal de radio ten un alcance limitado, non se pode afastar demasiado o móbil da base, até 30 quilómetros se non hai obstáculos entre eles. Con todo, nos últimos anos os datos recolleitos na base tamén se envían vía GPRS aproveitando as redes estendidas de teléfonos móbiles.

GPS, GLONASS e Galileo

Actualmente existen dous sistemas de posicionamento por satélite dispoñibles: GPS e GLONASS. Un terceiro, Galileo, empeza a construírse.

O primeiro foi o GPS, creado polo Departamento de Defensa de Estados Unidos con fins militares. A constelación NAVSTAR constitúe o sistema GPS. O sistema GLONASS, pola súa banda, foi creado polo Servizo Soviético de Defensa e posteriormente cedido á Axencia Espacial Rusa. Eles, ademais de dar un uso militar, reforzaron o uso civil, pero moi tarde, polo que hoxe en día utilízase menos que o GPS. Con todo, ao depender dos servizos militares, ningún deles asegura una sinal permanente.

Galileo será o sistema europeo de navegación por satélite. Este sistema ofrecerá una gran precisión e, ao depender do control civil, garantirá de forma permanente un servizo global de posicionamento. Galileo é una iniciativa da Unión Europea e da Axencia Espacial Europea. Trátase dunha constelación de 30 satélites: o primeiro satélite (e o único polo momento) foi lanzado o 28 de decembro de 2005.

Na actualidade cada vez son máis os receptores que poden recibir o sinal tanto do GPS como do sistema GLONASS. Algúns receptores utilizados en topografía e geodesia, por exemplo, permiten utilizar ambos os sistemas, aumentando o número de satélites e mellorando a precisión.

A constelación de Galileo tamén contribuirá a iso. Por unha banda, nas mesmas condicións, os satélites da constelación de Galileo calcularán a súa localización con maior precisión que os outros dous sistemas, ao dispor de reloxos atómicos máis precisos. E doutra banda, a compatibilidade cos sistemas GPS e GLONASS permitirá una maior precisión ao dispor de máis satélites: ao recibir máis sinais, os resultados de axústelos serán máis precisos e permitirán obter resultados en lugares nos que actualmente non se recibe ningún sinal ou nos que o número de satélites non é suficiente paira calcular a localización.

Vantaxes e futuro dos sistemas espaciais

O sistema global de posicionamento e navegación por satélite ofrece grandes vantaxes en geodesia e topografía.

Os métodos clásicos utilizados até o momento permitiron conseguir a posición dun punto, polo que é necesario garantir a visibilidade entre un punto coñecido e o que se quería situar. Pola súa banda, os sistemas de posicionamento global por satélite permiten obter una posición entre puntos non visibles, xa que se poden conseguir liñas de base de decenas ou centenares de quilómetros con precisión en centímetros. Ademais, a diferenza do que ocorre até agora, os sistemas globais de posicionamento por satélite permiten realizar medicións en calquera situación climática.

No campo da topografía, á hora de realizar os levantamentos, a fertilidade aumentou considerablemente nos traballos realizados mediante o sistema de satélite. Na topografía convencional necesítanse dúas persoas paira realizar os traballos, mentres que cos sistemas de posicionamento por satélite só una persoa pode traballar e, ademais, gañar puntos por día.

Tamén teñen limitacións. O máis importante é traballar en lugares que dificultan o sinal dos satélites: obstáculos superiores, edificios e árbores, por exemplo, destrúen o sinal dos satélites e, en moitos casos, é imposible conseguir a súa localización. De face ao futuro, con todo, cando o sistema Galileo estea dispoñible, o aumento dos satélites permitirá superar este límite en varios lugares.