capitulo1 - GEOGRAFÍA FISICA UN BOGOTÁ – COLOMBIA

Sistemas de referencia
Instituto Geográfico Agustín Codazzi
Bogotá, marzo 2001
Introducción
SISTEMAS DE R EFERENCIA EN GEODESIA
INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI
BOGOTÁ D. C., COLOMBIA
MARZO , 2001
Fuente radar
extragaláctica
(α, δ)
Polo celeste
Satélite
(Xs, Y s , Zs )
Z
Z
' Telescopio
2
2
2
S ≠ √ (Xs -X'p) + (Y s -Y'p) + (Zs -Z'p)
(X'p, Y'p, Z'p)
Estación
(X'p, Y'p, Z'p)
Y
Y'
Sistema
ecuatorial
instantáneo
X
Sistema terrestre
convencional
X'
HERMANN DREWES
D EUTSCHES GEODÄTISCHES FORSCHUNGSINSTITUT
(DGFI)
(INSTITUTO A LEMÁN DE INVESTIGACIONES GEODÉSICAS )
Hermann Drewes
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Sistemas de referencia
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Bogotá, marzo 2001
Introducción
Contenido del Curso
1. Introducción
Definición, necesidad, clásificación, jerarquía, ejemplos de sistemas
de referencia, servicios internacionales
2. Orientación de la Tierra en el espacio
Sistemas de referencia celestes inerciales, causas de la
variación de la rotación de la tierra en el espacio, métodos
astronómicos para la observación de las variaciones
3. Rotación de la Tierra en el sistema terrestre
4. Teoría de la rotación
Movimiento del polo, variación de la velocidad de la rotación,
longitud del día, causas de las variaciones (atmósfera, océanos)
5. Observaciones de la variación de la rotación terrestre
Variaciones históricas y actuales, separación de las frecuencias,
correlación con observaciones meteorológicos y oceanográficos
6. Sistemas de referencia terrestres
7. Definición y realización (materialización)
Métodos de observación geodésica, resultados globales,
continentales y nacionales, utilización en la práctica
8. Teoría de la tectónica de placas
Observaciones geológicas y geofísicas, modelos del movimiento de
las placas
9. Sistemas de referencia cinemáticos
Observaciones geodésicas, modelos del movimiento actual de las
placas, deformaciones regionales
10.Sistemas de referencia verticales
Definición del tipo de alturas, superficies de referencia, variación de la
superficie del mar, determinación del geoide, materialización de
sistemas de referencia verticales
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Sistemas de referencia
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Introducción
Sistemas de referencia geodésicos
Sistema de referencia: Definición de modelos, parametros, constantes,
etc., que sirven como base para la descripción del estado geométrico ó de
los procesos físicos de la Tierra o de la superficie terrestre (p.ej., sistema
cartesiano tridimensional ortogonal, con el eje Z paralelo al eje de la
rotación terrestre, el eje X pasando por el meridiano de Greenwich, la
escala dada por la constante gravitacional geocéntrica, GM, y la velocidad
de la luz, v0 ...)
Marco de referencia: Realización (materialización) de un sistema de
referencia por un juego de entidades físicas y matemáticas (p.ej., un
número de puntos monumentados sobre la superficie terrestre con sus
coordenadas geocéntricas tridimensionales X, Y, Z ó elipsoidales ϕ, λ, h
dadas convencionalmente.
Datum geodésico: Parámetros que conectan las mediciones con el
sistema de referencia, p.ej., tamaño y orientación de un elipsoide de
referencia, (p.ej., GRS80 ó WGS84 con semieje mayor a = 6378137 m,
achatamiento dinámico J2 = 108263·10-8 (corresponde al achatamiento
geométrico f = 1:298.257), y su orientación con respecto al sistema
geocéntrico dada por las desviaciones de la vertical y las ondulaciones del
geoide en puntos fundamentales (estaciones Laplace)).
Importante:
• Los sistemas de referencia no se pueden determinar por mediciones,
sino que se definen convencionalmente. P.ej., las coordenadas y
direcciones geodésicas no son valores estimables, éstas requieren de
una base (sistema de ejes de coordenadas) a la cual referirse; mientras
que, distancias y ángulos son independientes de un sistema de
referencia (excepto la escala de las distancias).
• El marco materializa un sistema de referencia físicamente y
matemáticamente. Hay que cuidar, que no se introducen más valores
que los necesarios. P.ej., un sistema de coordenadas bidimensional
requiere sólo de tres valores para fijarse: dos coordenadas para definir
el orígen y una coordenada más para dar la orientación. Si se fijan mas
valores, se pueden crear tensiones en el sistema.
• El dátum geodésico se define, clásicamente, por una convención
arbitraria. Su orientación con respecto a un sistema de referencia se
determina más tarde por observaciones superiores.
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Introducción
Necesidad de los sistemas de referencia
Geodesia global: La geodesia es la ciencia encargada de la medición y
representación cartográfica de la superficie terrestre (Helmert 1880).
Esto incluye la determinación de la figura (tamaño) y del campo de
gravedad de la Tierra.
Esta definición requiere de un sistema de referencia global único
que permite la representación en forma integrada.
Cartografía: La cartografía se encarga de la representación de la
topográfía, límites políticos y geográficos, estructuras de ingeniería
y de urbanización, etc.
Para evitar confusiones (p.ej. en las fronteras) se requiere de un
sistema de referencia único del área (global, continental, regional).
Navegación: La navegación clásica utiliza varios marcos de referencia.
La navegación moderna utiliza posicionamiento automático.
Las coordenadas de los aeropuertos, carreteras, faros etc. deben
darse en un sistema de referencia único.
Ingeniería: El levantamiento clásico de construcciones de ingeniería
(túneles, diques, puentes, etc.) se hizo, clásicamente, en sistemas
de referencia locales. Hoy en día se puede utilizar los métodos
modernos (p.ej. GPS).
Esto requiere de un sistema único para la zona de construcción.
Catastro: El catastro define los límites entre propiedades y la
clasificación del terreno.
Para evitar confusiones en los límites se requiere de un sistema de
referencia único para la zona.
Clasificación de los sistemas de referencia
Sistemas de referencia convencionales:
Definición arbitraria (convencional) de los ejes coordenados,
vectores principales o direcciones de referencia.
Sistemas de referencia inercial:
Sistema de referencia sin aceleración (gravedad y rotación).
Sistemas de referencia cuasi-inercial:
Sistema de referencia que considera una aceleración lineal.
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Introducción
Jerarquía de los sistemas de referencia
Denominación
Sistema de observación
(local)
Vectores principales
visual ν
gravedad γ
Ejemplo (aplicación)
mediciones de
dirección y distancia
Sistema del horizonte
(regional)
gravedad γ
rotación terrestre Ω
redes terrestres
Sistema ecuatorial
(global)
rotación terrestre Ω
equinoccio ϒ
geodesia satelital
Sistema eclíptico
(heliocéntrico)
equinoccio ϒ
polo eclíptico ψ
astronomía óptica
Sistema (extra-) galáctico
(como ecuatorial)
radioastronomía
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Introducción
Ejemplos de sistemas de referencia y dátum
Sistemas de referencia
World Geodetic System 1984 (WGS84): Sistema de referencia global que
originalmente fue establecido para determinar las coordenadas de las
órbitas de los satélites Doppler. Fue adoptado también para las órbitas de
los satélites NAVSTAR GPS (broadcast ephemerides).
IERS Terrestrial Reference System (ITRS): Sistema de referencia del
Servicio Internacional de Rotación Terrestre (IERS) establecido para la
determinación de la rotación de la Tierra en el sistema de referencia
celeste (ICRS) por combinación de diferentes técnicas espaciales.
Marcos de referencia
IERS Terrestrial Reference Frame (ITRF): Materialización del ITRS por
un número de estaciones en la superficie terrestre (apróximadamente 300)
con coordenadas dadas para una época fija y sus variaciones en el tiempo
(velocidades). Sirve para la determinación de las órbitas precisas de los
satélites GPS por el Servicio GPS Internacional (IGS).
Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas (SIRGAS):
Densificación del ITRF, inicialmente establecido para América del Sur por
58 estaciones en1995 y extendido al Caribe, Norte y Centroamérica en
2000 (formalmente adoptado en febrero de 2001).
Dátum geodésicos
Preliminary South American Datum 1956 (PSAD56): Establecido por
coordenadas astronómicas y desviaciones de la vertical observadas en La
Canoa, Venezuela. Desviación del geocentro: X = -288 m, Y = 175 m,
Z = -376 m.
South American Datum 1969 (SAD69): Establecido por coordenadas
astronómicas y desviaciones de la vertical observadas en Chua, Brasil.
Desviaciones X = -57 m, Y = 1 m, Z = -41 m.
Observatorio Bogotá: Establecido por coordenadas astronómicas y
desviaciones de la vertical en el Observatorio Astronómico de Bogotá.
Desviaciones X = 307 m, Y = 304 m, Z = -318 m.
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Introducción
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Introducción
IERS: International Earth Rotation Service
Governing
Board
Analysis Coordinator
Central Bureau
Product Centers:
Celestial Reference
Technique Centers
External Services:
IGS
Earth Orientation
Terrestrial Reference
ILRS
Rapid Service, Predicts
Geophysical Fluids
IVS
Conventions
Electon. Interfaces
Documents
Users
Publicaciones
IERS Bulletin A:
Dos veces por semana por ASub-Bureau for Rapid ServiceA
- Parametros de la orientación preliminares, predicciones
IERS Bulletin B: Mensualmente por ACentral BureauA
- ERP: soluciones individuales y de combinación, UTC
EOP(IERS)C04: Soluciones combinadas, actualizadas dos veces por semana
(incl. los datos de los servicios anteriores, BIH, electronico)
Annual Report:
Solución final ERP, ITRF, ICRF y reportes de trabajo
Special Bulletin C: Anuncios de los segundos de corrección en UTC
Special Bulletin D: Anuncio de los valores DUT1 para la transmisión del tiempo
Technical Notes: Publicaciones especiales (p.ej. Standards, ITRF, ...)
IERS Gazette:
Informaciones generales del IERS (electronicamente)
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Introducción
Estructura del IERS
(desde 01.01.01)
Central Bureau:
Bundesamt für Kartographie und Geodäsie
(BKG), Frankfurt, GER
Director: B. Richter
Analysis Coordinator:
M. Rothacher, München, GER
Celestial Reference:
Observatoire de Paris, FRA
US Naval Observatory (USNO), Washington,
USA
Director: J. Souchay, FRA
Earth Orientation:
Observatoire de Paris, FRA
Director: D. Gambis
Terrestrial Reference:
Institut Géographique Nacional
(IGN), Paris, FRA
Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut
(DGFI), München, GER
Director: C. Boucher, FRA
Rapid Service / Prediction: US Naval Observatory
(USNO), Washington, USA
Director: James Ray
Geophysical Fluids:
NASA GSFC, Greenbelt, USA
Director: B.F. Chao
Conventions:
D. McCarthy, USNO, USA
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Introducción
Estructura del Servicio GPS Internacional
IGS: International GPS Service
Governing
Board
Central Bureau
JPL Pasadena, USA
Analysis
Coordinator
Data Centers
Operational
Centers
Regional
Data Centers
Analysis Centers
Global Data
Centers
Analysis
Centers
Global Net
Associate
Analysis
Centers
Regional Net
Associate
Analysis
Centers
Otros servicios con estructura similar:
International Laser Ranging Service (ILRS)
Central Bureau: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA
International VLBI Service for Geodesy
and Astrometry (IVS)
Central Bureau: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA
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