Hasiera »   Erreportajeak »   Sistema espazialen aro berria topografian eta geodesian

La nova era dels sistemes espacials en la topografia i la geodèsia

• Zabaldu:
• Twitter
• Facebook
• Emaila

La tecnologia de localització per satèl·lit ha modificat radicalment les metodologies clàssiques de topografia i geodèsia. Proporcionen un major grau de precisió i productivitat que els mètodes clàssics i s'han convertit en imprescindibles en qualsevol mena de treball topogràfic o de geodèsia. Actualment existeixen dos sistemes de posicionament per satèl·lit, GPS i GLONASS, i un tercer, Galileu, ja està en marxa.

La topografia pretén representar les característiques naturals i artificials de la Terra. Analitza, per tant, els mètodes i tècniques necessàries per a mesurar, rebre i publicar informació gràfica i espacial de qualsevol punt o element de la Terra.

Per a poder localitzar i representar els elements de la Terra, la topografia ha de conèixer la forma i dimensions de la Terra, que és el que ofereix la ciència de la geodèsia.

Canvis en les últimes dècades

Els primers avanços en topografia i geodèsia van tenir lloc després de la Segona Guerra Mundial. Llavors van desenvolupar gran quantitat d'electrònica, mecànica, òptica, matemàtiques, física... que van revolucionar les ciències geomàtiques, entre elles la topografia i la geodèsia, desenvolupant nous mètodes i eines. Aquests mètodes realitzen la mesura electrònica de la distància i els angles a partir d'ones electromagnètiques. Posteriorment, el desenvolupament de la informàtica va permetre el desenvolupament de programari per a la gestió de dades tant matemàtiques com geogràfics, permetent la realització automàtica de complexos càlculs manuals.

La següent revolució ha arribat de la mà dels satèl·lits. A partir dels anys 70, l'ús de satèl·lits artificials ha suposat enormes beneficis en la topografia i, sobretot, en la geodèsia. De fet, a més de situar amb precisió punts molt allunyats entre si, la geodèsia espacial ha obert noves possibilitats per a estudiar la forma de la Terra, la geodinámica de la Terra i la força de gravetat. Sens dubte, podem afirmar que metodològicament estem davant una revolució: superats els clàssics de la geodèsia i la topografia, els sistemes espacials GNSS (Global Navigation Systems) han obert nous camins, tant en treballs topogràfics convencionals com en treballs i recerques de geodèsia.

Localització

Comprendre com es determina la ubicació de l'usuari mitjançant sistemes espacials és relativament senzill. Les coordenades de localització (X,I i Z) es calculen pel mètode de la trilateración.

La trilateración és un mètode comú en topografia. Amb aquest mètode, mesurant la distància entre un punt com el punt A i tres punts fixos amb coordenades conegudes, es poden obtenir les coordenades de posició del punt A (X, I i Z).

En els sistemes espacials, els punts coneguts són els satèl·lits, i la posició del receptor es coneix mesurant la distància des del lloc on es troba el receptor fins als satèl·lits. Els satèl·lits emeten contínuament senyals de ràdio i, per a calcular la distància, es mesura el temps transcorregut des del satèl·lit fins al receptor i es multiplica per la velocitat de la llum. Es diu que es tracta d'un sistema passiu, ja que els receptors només reben senyals. Mitjançant aquest sistema, milions de persones poden conèixer la seva ubicació simultàniament.

Per a mesurar el temps, els satèl·lits tenen rellotges atòmics de gran precisió. Els rellotges atòmics són capaços de mesurar amb precisió el temps. Els rellotges dels receptors, per part seva, són menys precisos, però arriben a aconseguir una gran precisió, ja que s'estima matemàticament la diferència entre els rellotges dels satèl·lits i els rellotges dels receptors. Perquè aquesta estimació sigui possible és necessari conèixer la distància mínima d'un receptor a quatre satèl·lits. Matemàticament, bastarien tres coordenades de localització (X, I i Z) inèdites, però el quart satèl·lit permet resoldre la quarta incògnita, és a dir, l'error del rellotge del receptor.

Pseudodistancia i mesures per fase

Per a mesurar la distància des del receptor als satèl·lits existeixen dues metodologies: la mesura amb codi i el mesurament en fase.

En la mesura amb codi, a més del senyal, el satèl·lit envia un codi modulat a una determinada freqüència d'ona. Per correlació d'aquest codi es pot conèixer el temps que triga el senyal a arribar al receptor, i multiplicant aquesta dada per la velocitat de la llum s'aconsegueix conèixer la distància entre el satèl·lit i el receptor. Aquesta mesura de distància es denomina pseudodistancia. Els receptors de navegació així ho indiquen, per exemple, els receptors utilitzats tant en vehicles com en muntanya. Amb aquest mètode s'aconsegueix una precisió en la ubicació de 15-30 metres.

No obstant això, la precisió de 15-30 metres és clarament inacceptable per a la geodèsia i la topografia, en els quals es requereix una precisió d'uns mil·límetres i centímetres. Per això, en aquests casos, les distàncies del satèl·lit al receptor es mesuren mitjançant la fase d'ona. Les mesures per fases es basen en la pròpia ona i no en els codis modulats en aquesta. I com la longitud d'ona de l'ona és d'uns pocs centímetres, la distància es pot mesurar molt més exactament i es pot obtenir una localització exacta. No obstant això, el mesurament per fases presenta un obstacle important. Encara que en el senyal que arriba al receptor es pot conèixer fàcilment el desfasament d'ones, no és tan senzill saber el nombre total de cicles. És el problema de l'ambigüitat de cicle. Per a entendre-ho hi ha un XIX. Un bon exemple del segle XX.

XIX els Estats Units. Els mesuradors de les Grans Planes (Great Plain) del segle XVIII mesuraven els terrenys públics que travessaven els camps oberts de la següent manera: en un carro replet de pedres o estaques anaven tres persones; una conduïa el carro; l'altra, amb una brúixola, mantenia el carro en l'orientació a seguir; i l'última, comptava el nombre de girs que havia donat un tros de tela unit a la roda del carro. Quan la tela donava tantes voltes com una milla, posaven una pedra o una estaca i seguien endavant.

El sistema de posicionament per satèl·lit és equivalent a la persona que mesura el nombre de revolucions de la roda, amb la diferència que quan puja al carro es tomba darrere i s'adorm. Quan es desperta es preocuparà i comença a intentar esbrinar la distància; sap que en aquest moment la roda està enmig de la gira, però no sap quantes voltes completes ha donat. És el cas de l'ambigüitat de cicle: el receptor sap el desfasament, però no el nombre de cicles complets.

El nombre total de cicles es calcula mitjançant programari, mitjançant algorismes, que en els últims anys han millorat considerablement: en poc temps (en pocs segons o en pocs minuts) poden conèixer el nombre de cicles. Per al càlcul del nombre total de cicles, aquests algorismes han de contenir almenys dades instantànies d'un altre receptor. Per tant, amb un solo receptor no es pot conèixer més que la pseudodistancia.

Localització diferencial per fases

En topografia i geodèsia s'utilitza la ubicació diferencial per fases per a realitzar mesuraments d'alta precisió. Aquesta metodologia permet conèixer amb gran precisió el vector tridimensional (anomenada línia basi) entre dos receptors. El càlcul d'aquest vector requereix necessàriament dades simultànies de dos receptors topogràfic-geodèsics.

La ubicació diferencial es basa en el fet que els senyals que arriben a tots dos receptors sofreixen els mateixos errors. En estar els satèl·lits a uns 20.000 quilòmetres, els senyals emesos per ells han de realitzar un llarg viatge travessant la ionosfera i la troposfera per a arribar al receptor, en el qual sofreixen una sèrie de canvis o errors.

Es pot suposar que aquest viatge és el mateix per als dos receptors, per la qual cosa el senyal del satèl·lit tindrà el mateix error en els dos receptors, la qual cosa permet obtenir el vector entre receptors amb una precisió enorme (precisió en mil·límetres a deu quilòmetres). A partir d'aquí, i estant un dels dos receptors col·locat en un punt de coordenades conegudes (fixat exactament sobre un trípode, sobre el punt), es calcula la posició del segon receptor: coneixent les coordenades exactes de l'origen del vector, és possible conèixer amb precisió les coordenades del segon punt del vector.

Aquest mètode permet realitzar el càlcul de la ubicació després de les observacions, tant en l'oficina com en el moment. La localització actual es denomina RTK (Real Time Kinematic). En els treballs realitzats per RTK, el receptor situat en coordenades conegudes (denominada base) envia en temps real les dades obtingudes del satèl·lit a l'altre receptor (anomenat mòbil), normalment mitjançant senyals de ràdio. Com aquest senyal de radi té un abast limitat, no es pot allunyar massa el mòbil de la base, fins a 30 quilòmetres si no hi ha obstacles entre ells. No obstant això, en els últims anys les dades recollides en la base també s'envien via GPRS aprofitant les xarxes esteses de telèfons mòbils.

GPS, GLONASS i Galileu

Actualment existeixen dos sistemes de posicionament per satèl·lit disponibles: GPS i GLONASS. Un tercer, Galileu, comença a construir-se.

El primer va ser el GPS, creat pel Departament de Defensa dels Estats Units amb finalitats militars. La constel·lació NAVSTAR constitueix el sistema GPS. El sistema GLONASS, per part seva, va ser creat pel Servei Soviètic de Defensa i posteriorment cedit a l'Agència Espacial Russa. Ells, a més de donar un ús militar, van reforçar l'ús civil, però molt tard, per la qual cosa avui dia s'utilitza menys que el GPS. No obstant això, en dependre dels serveis militars, cap d'ells assegura un senyal permanent.

Galileu serà el sistema europeu de navegació per satèl·lit. Aquest sistema oferirà una gran precisió i, en dependre del control civil, garantirà de manera permanent un servei global de posicionament. Galileu és una iniciativa de la Unió Europea i de l'Agència Espacial Europea. Es tracta d'una constel·lació de 30 satèl·lits: el primer satèl·lit (i l'únic de moment) va ser llançat el 28 de desembre de 2005.

En l'actualitat cada vegada són més els receptors que poden rebre el senyal tant del GPS com del sistema GLONASS. Alguns receptors utilitzats en topografia i geodèsia, per exemple, permeten utilitzar tots dos sistemes, augmentant el nombre de satèl·lits i millorant la precisió.

La constel·lació de Galileu també contribuirà a això. D'una banda, en les mateixes condicions, els satèl·lits de la constel·lació de Galileu calcularan la seva ubicació amb major precisió que els altres dos sistemes, en disposar de rellotges atòmics més precisos. I d'altra banda, la compatibilitat amb els sistemes GPS i GLONASS permetrà una major precisió en disposar de més satèl·lits: en rebre més senyals, els resultats dels ajustos seran més precisos i permetran obtenir resultats en llocs en els quals actualment no es rep cap senyal o en els quals el nombre de satèl·lits no és suficient per a calcular la localització.

Avantatges i futur dels sistemes espacials

El sistema global de posicionament i navegació per satèl·lit ofereix grans avantatges en geodèsia i topografia.

Els mètodes clàssics utilitzats fins al moment han permès aconseguir la posició d'un punt, per la qual cosa és necessari garantir la visibilitat entre un punt conegut i el que es volia situar. Per part seva, els sistemes de posicionament global per satèl·lit permeten obtenir una posició entre punts no visibles, ja que es poden aconseguir línies de base de desenes o centenars de quilòmetres amb precisió en centímetres. A més, a diferència del que ocorre fins ara, els sistemes globals de posicionament per satèl·lit permeten realitzar mesuraments en qualsevol situació climàtica.

En el camp de la topografia, a l'hora de realitzar els aixecaments, la fertilitat ha augmentat considerablement en els treballs realitzats mitjançant el sistema de satèl·lit. En la topografia convencional es necessiten dues persones per a fer els treballs, mentre que amb els sistemes de posicionament per satèl·lit només una persona pot treballar i, a més, guanyar punts per dia.

També tenen limitacions. El més important és treballar en llocs que dificulten el senyal dels satèl·lits: obstacles superiors, edificis i arbres, com per exemple, destrueixen el senyal dels satèl·lits i, en molts casos, és impossible aconseguir la seva localització. De cara al futur, no obstant això, quan el sistema Galileu estigui disponible, l'augment dels satèl·lits permetrà superar aquest límit en diversos llocs.