Geodesia aplicada. Los fundamentos de las dimensiones cósmicas

El contenido del artículo

• GPS
• GNSS
• GPS para trabajos geodésicos
• Estática
• Cinemática
• GPS RTK
• GPS vs GLONASS

El proceso de observación de los primeros satélites artificiales de la Tierra reveló un patrón interesante: la posición espacial del satélite se puede calcular con buena precisión en cualquier momento. Este hecho científico llevó a los científicos a un descubrimiento verdaderamente revolucionario: utilizar satélites ubicados a cientos de kilómetros de la Tierra para determinar la posición espacial de los objetos terrestres..

De los artículos anteriores de nuestro ciclo «Geodesia aplicada» aprendimos que para determinar las coordenadas de un punto desconocido, necesitamos dos puntos con coordenadas conocidas, que están fijadas rígidamente en el suelo (puntos de la Red Geodésica del Estado). A veces estaban lejos del tema, lo que obligaba a los artistas a colocar pasajes de teodolito, a menudo de varios kilómetros. Ahora, los satélites que se mueven constantemente en el espacio se han convertido en puntos tan «duros», en relación con los cuales se determinan las coordenadas de los objetos en el suelo..

GPS

GPS (Sistema de posicionamiento global – Sistema de posicionamiento global) es una colección de medios electrónicos que calculan la ubicación y velocidad de un objeto en la superficie de la Tierra o en la atmósfera. Estos parámetros se determinan gracias al receptor GPS, que recibe y procesa las señales de los satélites. Para mejorar la precisión de las mediciones, el sistema de posicionamiento también incluye controles terrestres y centros de procesamiento de datos..

Cuando se trata de GPS, la mayoría de las veces nos referimos al sistema NAVSTAR, desarrollado por orden del Departamento de Defensa de EE. UU. En general, muchas cosas innovadoras primero fueron «probadas» por los militares y luego fueron «entregadas a las masas». Durante muchos años el término «GPS» se ha convertido en sinónimo de navegación por satélite, al igual que el neologismo «Xerox» significa, en principio, cualquier fotocopiadora, y no solo la producción de XEROX. Actualmente, además del GPS NAVSTAR, se están desarrollando o lanzando nuestro Beidou chino, el Galileo europeo, el IRNSS indio, el QZSS japonés y nuestro GLONASS nativo..

Los métodos de medición espacial se utilizan para:

• geodesia y cartografía
• construcción
• navegación
• monitoreo de vehículos
• comunicación móvil
• operaciones de rescate
• monitorear el movimiento tectónico de las placas de la corteza terrestre

y en muchas otras esferas de la actividad humana. Consideremos algunas de las principales áreas de aplicación de los sistemas de medición espacial con más detalle..

GNSS

Nos topamos con dispositivos de este sistema de navegación a nivel doméstico, bajo la abreviatura GNSS se oculta el término “Global Navigation Satellites System”. El principio de funcionamiento de un sistema de navegación por satélite es medir la distancia desde la antena del receptor a los satélites, cuyas posiciones se conocen con una precisión suficientemente alta. La tabla de posición del satélite se denomina almanaque y se transmite en el momento del inicio de las mediciones desde el satélite al receptor. Así, conociendo las distancias entre los satélites, y guiándose por el almanaque, se puede, utilizando las construcciones geodésicas más sencillas, que consideramos en los artículos anteriores de nuestro ciclo, calcular la posición espacial del objeto..

El método para medir la distancia de un satélite a un receptor se basa en determinar la velocidad de transmisión de ondas de radio. Para permitir las mediciones, los satélites transmiten señales horarias precisas, sincronizadas a su vez con un reloj atómico de alta precisión. Al comienzo de la operación, la hora del sistema del receptor se sincroniza con la del satélite, y las mediciones adicionales se basan en la diferencia entre la hora de emisión de la señal y la hora de su recepción. Basándose en estos datos, el dispositivo de navegación calcula la posición espacial de la antena terrestre, y la velocidad, el rumbo y otros parámetros del objeto son derivados de la posición inicial del receptor. Como probablemente recuerde de su curso de física de la escuela secundaria, la velocidad de las ondas de radio es igual a la velocidad de la luz, por lo que puede imaginar cuál es la precisión general del sistema que determina la distancia en milisegundos..

Antena GNSS / GPS

¿Por qué, en algunos casos, obtenemos un valor de ubicación suficientemente preciso y, en algunos casos, el valor no es del todo correcto? No todos los receptores tienen un reloj atómico incorporado, por lo tanto, para sincronizar y determinar la posición con una precisión aceptable, es necesario recibir una señal simultáneamente de al menos tres satélites. La fuerza de la señal recibida se ve afectada por el campo gravitacional de la tierra, obstáculos en forma de árboles, casas, señales reflejadas (fantasmas), interferencia atmosférica y una serie de otras razones. Dado que es imposible colocar transmisores de alta potencia en el satélite, obtendrá la ubicación más precisa en espacios abiertos con un horizonte despejado..

Ahora, querido lector, que tiene un teléfono inteligente con un receptor GPS incorporado, nos apresuramos a decepcionarlo: no puede postularse para abrir una empresa geodésica. Esto se debe a que el receptor de bolsillo usa un método llamado absoluto para calcular la posición. Con la observación simultánea de 4 satélites, la precisión de posicionamiento puede alcanzar los 8 metros, lo que es suficiente para las mediciones de navegación. Para la geodesia, se utiliza un método de medición relativa, en el que se utilizan al menos dos receptores. Uno de ellos se establece en un punto con coordenadas conocidas (la llamada «base»), y el segundo se utiliza para determinar las coordenadas de puntos desconocidos. Cuando 2 receptores trabajan juntos, la precisión de la medición aumenta 100 veces y ya podemos obtener coordenadas con precisión centimétrica, lo cual es suficiente para las necesidades geodésicas..

GPS para trabajos geodésicos

Para utilizar los sistemas de observación espacial para el trabajo topográfico, se utilizan varios métodos, que difieren en la precisión de los valores obtenidos y el tiempo dedicado a obtenerlos..

Estática

Para determinar las coordenadas de un punto desconocido, se instala un receptor en el punto de triangulación o poligonometría (punto conocido), y el otro receptor se coloca en el punto cuyas coordenadas se van a determinar. Además, los dispositivos se inicializan sincrónicamente, porque las mediciones comienzan solo cuando dos receptores se encienden simultáneamente. Si uno de los dispositivos funcionó durante media hora y el otro durante 15 minutos, solo se utilizarán 15 minutos de colaboración para obtener datos. Una vez que los receptores encuentran los satélites, comienza la recopilación de datos, que posteriormente se procesan en una computadora..

Por lo general, toma de 15 a 30 minutos desde que se enciende el instrumento hasta que comienza a trabajar (obtener los valores correctos), dependiendo de los satélites observados simultáneamente. En los primeros 20-30 minutos, la «base» proporciona cobertura con suficiente precisión de medición de la zona de 5 kilómetros, luego cada 10 minutos este radio se expande en 5 km, respectivamente, conociendo la distancia aproximada desde la estación al punto base, puede calcular aproximadamente el tiempo de reposo del instrumento para posicionamiento preciso.

Como podemos ver en la captura de pantalla de uno de los programas de ajuste de datos, la barra verde es el tiempo de operación base y las barras cortas de color son el tiempo que los receptores pasan en la estación con coordenadas desconocidas. Usando software especializado, puede rechazar valores de medición incorrectos y aumentar la precisión general de los valores obtenidos.

La ventaja de este método es la alta precisión de medición, el menos es el tiempo necesario para inicializar cada punto.

Cinemática

La “base” se ubica de la misma manera en un punto con coordenadas conocidas, y el segundo receptor, después de la inicialización, puede registrar puntos en movimiento sin inicialización adicional antes de cada medición. Si en el primer método obtenemos, supongamos, dos puntos base a partir de los cuales se realizará el levantamiento taquimétrico, es decir para el trabajo todavía necesitamos tener un taquímetro, luego en el caso de las mediciones cinemáticas, dos receptores son suficientes, uno de los cuales sirve como taquímetro, el tiempo de registro del punto es de 1-2 minutos..

Este método es muy adecuado para inspeccionar objetos linealmente extendidos como líneas eléctricas, canales, carreteras, oleoductos, etc. La ventaja de este método es el ahorro de tiempo, la desventaja es que es recomendable realizar mediciones a una distancia corta de la base, unos 5-15 km. Si la señal del satélite desaparece repentinamente, habrá que repetir el procedimiento de inicialización, por lo que no siempre es posible aplicar este método en grandes ciudades donde edificios altos y árboles cubren el horizonte..

GPS RTK

Si los dos primeros métodos nos dan la posición de un punto en el sistema de coordenadas internacional, que luego necesita ser convertido en uno regional, entonces el método RTK (del inglés Real Time Kinematic – cinemática en tiempo real) nos permite obtener los valores de la posición espacial de puntos en el sistema de coordenadas adoptado para nuestra área. utilizando un solo receptor. No, el punto base sin duda existe, pero en este caso los puntos base están fijados en edificios altos y, en conjunto, forman una red similar a una móvil. Tanto el receptor como las estaciones base intercambian información a través de Internet, lo que les permite sincronizarse no solo con satélites, sino también entre sí, evitando la cadena de recálculo y ajuste de coordenadas en software especializado..

Como comprenderá, las estaciones base están lejos de ser construidas por entusiastas, el acceso a ellas se paga, pero se paga con creces por la cantidad de horas-hombre gastadas. De hecho, si, en el caso de las mediciones estáticas, el equipo consta de al menos tres personas, una de las cuales vigila la «base», y las otras dos realizan levantamientos utilizando una estación total, entonces solo un especialista es suficiente para las mediciones RTK. La inicialización de tales dispositivos ocurre casi instantáneamente, después de unos minutos, la herramienta está lista para recopilar datos o realizar la acción opuesta: para llevar a cabo el replanteo de los puntos de levantamiento calculado de antemano en una computadora, lo cual es necesario, por ejemplo, al diseñar una parcela para la construcción. Esta es la tecnología del futuro. En general, no importa lo paradójico que parezca, la próxima generación de topógrafos estará representada por especialistas en TI, la era de las calculadoras programables y las tablas Bradis se ha ido irrevocablemente..

GPS vs GLONASS

Para determinar las coordenadas de NAVSTAR GPS y GLONASS, se utilizan 21 satélites activos y tres satélites de repuesto, que giran sobre planos orbitales circulares, y estos planos en el sistema GPS son tres veces más que en GLONASS. Los satélites están equipados con paneles solares y vuelan a más de 20 km sobre la superficie de la Tierra. Tal distancia del planeta y el número de satélites permiten la observación simultánea de al menos 4 satélites prácticamente en cualquier parte del mundo. Tiempo de una revolución completa alrededor de la Tierra – 12 horas cósmicas.

En el sistema GPS, todos los satélites emiten una señal en dos frecuencias idénticas y cada dispositivo envía su propio código individual que permite identificar los satélites. GLONASS tiene el mismo código para todos los satélites, la transmisión también se realiza en dos bandas. Como puede ver, los parámetros de los sistemas son aproximadamente los mismos, entonces, ¿quién es mejor??

Si el GPS proporciona suficiente precisión para determinar las coordenadas en todo el mundo, entonces GLONASS está «afinado» para las realidades rusas, lo que teóricamente le permite determinar con mayor precisión la posición espacial de puntos en el suelo de nuestro país. El sistema de posicionamiento ruso no depende del estado de ánimo del «Tío Sam», quien, durante los conflictos militares, redujo deliberadamente la precisión de la medición, codificando parcialmente la señal. En cualquier caso, GPS y GLONASS no son competidores, sino aliados de alguna manera, por lo que tiene sentido comprar receptores que admitan simultáneamente dos sistemas, la precisión solo se beneficiará de esto..