Evolución e implicancias del posicionamiento geodésico en la

EVOLUCIÓN E IMPLICANCIAS DEL POSICIONAMIENTO GEODÉSICO EN
LA ÚLTIMA DÉCADA
Dr. Juan Francisco Moirano
Introducción
En el presente año se cumple una década desde tres acontecimientos que han
sido cruciales para el desarrollo de la geodesia en el mundo y en particular en
La Argentina: el paso del sistema GPS al carácter de operacional, el comienzo
del proyecto SIRGAS, y las mediciones de la red POSGAR. En esta breve
exposición intentaré resumir conceptualmente los cambios más importantes
relacionados con estos hechos, y como resultaron en un nuevo y mucho más
rico papel de la Geodesia en cuanto a sus aportes al desarrollo de la sociedad
y en particular a la Geofísica.
La situación de la Geodesia previa a la era espacial
El objetivo de la geodesia es la determinación de la forma y dimensiones de la
Tierra y de encontrar la forma de representarla adecuadamante. A fin de
representar matemáticamente la superficie terrestre, y poder por ejemplo
calcular distancias sobre ella, se requiere conocer las coordenadas de una
serie de puntos de ella en un sistema de referencia único. Esta red de puntos
con coordenadas es lo que se denomina el “marco de referencia” y es el medio
que permite acceder a una terna de ejes coordenados imaginarios o “sistema
de referencia geodésico” para referir nuevos puntos a ella. Se dice entonces
que el marco de referencia “materializa” al sistema de referencia. Antes de la
era espacial, la geodesia se valía básicamente de mediciones de ángulos y
distancias sobre la superficie terrestre para establecer marcos de referencia.
Estos métodos permitían establecer marcos llamados “locales” debido a que
tenian errores del orden de la precisión de los instrumentos de medición al
considerar distancias pequeñas, pero se acumulaban si se consideraban
regiones grandes y tenían en todos los casos errores absolutos de cientos de
metros. Estos marcos de referencia eran además “bidimensionales” debido a
que solo podían proveer Latitud y Longitud. La altura sobre el nivel del mar era
establecida en mareógrafos y luego densificada mediante una red de
nivelación, completamente independiente de la red planimétrica. La
consecuencia inmediata era que los marcos de referencia de países vecinos
podian diferir en cientos de metros, y la vinculación entre continentes a través
de los océanos no era posible. En La Argentina durante más de un siglo, se
establecieron varios marcos de referencia. De ellos, el marco planimétrico más
importante por su extensión y calidad es Inchauspe 69. En cuanto a las alturas
sobre el nivel del mar, la más importante es la red nacional de nivelación de
primer orden que fue terminada de medir hace pocos años. Ambas redes han
sido establecidas por el Instituto Geográfico Militar en una tarea titánica que
constituye un hito a nivel mundial dadas su extensión y calidad. El cuadro de
situación previa al posicionamiento satelitario se completa mencionando que,
además de estos dos marcos de referencia principales, permanecen aún hoy
en dia en uso otros, de menor calidad y extensión, establecidos por el mismo
IGM o por organismos y empresas estatales en respuesta a necesidades que
no podian esperar la conclusión de los trabajos de las redes principales. La
situación descripta se ve en los mapas de las figuras 1 y 2.
Geodesia Satelitaria
Es bastante conocido que en 1957 se lanzó el primer satélite artificial Sputnik,
dando comienzo a la era espacial. Lo que poca gente conoce es que en esa
oportunidad nació también el posicionamiento satelitario. El primer satélite era
prácticamente una esfera metálica con una antena que podia emitir una señal
de radio en la frecuencia de 20.001 Mhz. Era una onda senoidal pura sin
ninguna modulación que prácticamene se podía sintonizar sin mayores
problemas siempre que se tuviera un receptor de radio lo suficientemente
sensible. Contando con un patrón de frecuencia estable en la frecuencia
nominal de la emisión del Sputnik, al recibir la señal del espacio, se podrían
combinar para producir un sonido de frecuencia igual a la diferencia entre las
frecuencias del oscilador local y de la señal del Sputnik. Ese sonido además,
cambiaba de frecuencia conforme el satélite se acercaba a la antena receptora
desde el horizonte, tenía un punto de estabilidad y luego volvia a recorrer la
escala de frecuencias a medida que el satélite se alejaba nuevamente. Esta
variación de la frecuencia recibida, debida al efecto Doppler es una medida de
la velocidad relativa entre la fuente de la señal y el observador. En aquel
momento, investigadores de la Johns Hopking University Applied Physics
Laboratory, en USA, se propusieron utilizar estas observaciones para calcular
la órbita del Sputnik. Habiendo logrado lo anterior, y ya dentro de un programa
de investigación con objetivos militares, desarrollaron el problema inverso:
siendo conocidas las posiciones del satélite, determinar la pocisión de la
antena receptora en la Tierra a partir de observaciones Doppler.
Poco después, la marina norteamericana aprobó un proyecto para construir
una constelación de satélites diseñada de manera que sus submarinos
nucleares pudieran calcular su posición en cualquier lugar de la Tierra luego de
cómo mínimo una hora de observación. Este sistema, llamado Transit, fue
operacional entre 1960 y 1996. Fue el primer sistema de posicionamiento
satelitario global.
Constó de cinco satélite más otros cinco de reemplazo con órbitas polares a
1000km de altura, con un período orbital de 106 minutos.
El sistema permitía calcular posiciones con errores de alrededor de 200m en
pocas horas luego de registrar el paso de dos satélites.
El intervalo entre pasos dependía de la latitud, y en el Ecuador, condición más
desfavorable, podía llegar a varias horas. Si se observaba durante más tiempo,
acumulando varios pasos, la exactitud de las posiciones calculadas podía llegar
a pocos metros.
TRANSIT era también accesible para usuarios civiles, por lo que en lo que duró
el proyecto, se fueron desarrollando varios conceptos que abrirían una nueva
era en la Geodesia: Problemas como el cálculo de órbitas precisas, la
determinación del campo de la gravedad, y el posicionamiento de alta
precisión, requerían un tratamiento global en lugar de local. En este contexto, la
cooperación internacional aparece como una alternativa ventajosa y necesaria.
Desde el punto de vista académico, el proyecto TRANSIT tuvo un
importantísimo legado: La formación de una generación de científicos que
sentaron la base para la futura “revolución” del posicionamiento satelitario.
El sistema TRANSIT, a pesar de su rotundo éxito, tenía una desventaja
importante que era el tiempo de observación necesario para lograr el
posicionamiento. En consecuecia, el ejército y la fuerza aérea estadounidenses
se propusieron algo mas ambicioso: un sistema de posicionamiento que
permitiera la determinación de la posición del receptor en forma instantánea
con pocos metros de error, en cualquier condición climática y que estuviera
disponible las 24 hs en todo el globo.
El sistema GPS
El desarrollo y puesta en operación del sistema GPS llevaron casi 15 años, y
en 1993, finalmente fue declarado operacional.
A fin de poder lograr la determinación instantánea de la posición del receptor, el
sistema GPS tiene algunas diferencias fundamentales con respecto a su
antecesor TRANSIT:
Consta de 24 satélites en lugar de sólo cinco, que además se encuentran a
20000 km de altura sobre la superficie terrestre y ocupan seis planos orbitales
inclinados 55 grados respecto del Ecuador. Esto asegura la presencia en el
cielo de al menos cuatro satélites simultáneamente en cualquier lugar del
planeta y las 24 horas del dia. Utiliza además una señal mucho mas
complicada: Las portadoras, además de estar moduladas por la información
orbital, como en el caso de TRANSIT, lo están con una codificación de muy alta
frecuencia de características muy especiales. Esta codificación permite en
primer lugar la medición casi directa de la distancia satélite-receptor. Pero
además otorga al sistema una gran resistencia a las interferencias, permite
trabajar con relaciones senal-ruido bajísimas, y a los receptores discernir entre
los varios satélites que pueden recibir simultáneamente a pesar de que estos
emiten señales en las mismas frecuencias. Desde el punto de vista militar, la
codificación permite el control de acceso a las señales por parte del
administrador, que es el departamento de Defensa de los Estados Unidos.
Las características de GPS: principalente su acceso civil casi irrestricto y
gratuito, el bajo costo y portabilidad de los receptores, y la calidad e inmediatez
con que se obtienen las posiciones dieron lugar a una revolución que quizas
aun no haya llegado a su desarrollo pleno.
En los 10 años que lleva operacional el sistema, sus usos civiles han tomado
una dimensión tal que ya tienen un peso significativo en las decisiones de sus
admini
stradores. Un ejemplo de esto ha sido la eliminación de la Disponibilidad
Selectiva (SA), una limitación a la precisión del sistema impuesta a los usuarios
civiles que fue eliminada en el año 2000.
En este sentido, el sistema GPS ha demostrado ser un bien en sí mismo, más
allá de sus objetivos iniciales, mayormente militares. Su permanencia en el
tiempo está asegurada por su creciente utilización en actividades civiles para
las cuales el uso de GPS implica importantes ahorros de tiempo y dinero.
Además, se encuentran en desarrollo otros sistemas similares que, por su
compatibilidad con GPS darán la redundancia necesaria para poder utilizar los
sistemas de posicionamiento global en operaciones que requieren alta
confiabilidad como por ejemplo el acercamiento final y aterrizaje de aviones en
malas condiciones de visibilidad.
Respecto a las prestaciones de GPS, se puede decir a grandes razgos que hay
dos tipos principales de posicionamiento: El posicionamiento absoluto con
códigos, por definición instantáneo y muy robusto, que se realiza con un único
receptor y que en un instante puede proveer la posición del receptor con
errores de pocas decenas de metros en las tres coordenadas. El
posicionamiento relativo en cambio, requiere al menos dos receptores
observando simultáneamente los mismos satélites y que uno de ellos tenga
coordenadas conocidas en el sistema de referencia de las órbitas de los
satélites. Mediante técnicas de cálculo adecuadas, este modo de trabajo
permite obtener posiciones con errores centimétricos, aprovechando al máximo
la capacidad del sistema. Debe enfatizarse en este punto que este
posicionamiento de alta precisión requiere la existencia de una importante
infraestructura geodésica que provea al usuario de puntos sobre la superficie
terrestre con coordenadas de exactitud centimétrica respecto del sistema de
referencia en que se expresan las órbitas de los satélites.
Un marco de referencia global de exactitud centimétrica
En los úlimos diez años, el empleo del posicionamiento relativo de muy alta
precisión y una intensa cooperación internacional han permitido la
conformación de una sólida macro-infraestructura global de datos
geoespaciales. Esta permite una inédita integración espacial de la información
de fuentes muy diversas cuyas consecuencias científicas y tecnológicas están
aun en pleno desarrollo.
La mencionada macro-estructura global de datos geoespaciales está basada
en el Sistema de Referencia Terrestre Internacional ITRS. Este ha sido
establecido y es mantenido por la cooperación de cientos de instituciones,
principalmente la Unión Geofísica y Geodésica Internacional, la Unión
Astronómica Internacional, agencias espaciales, geodésicas y cartográficas
nacionales e instituciones científicas, incluyendo universidades. Para los
usuarios del posicionamiento, el ITRS existe en la forma de una red global de
puntos con coordenadas muy precisas llamada International Terrestrial
Reference Frame (ITRF).
El ITRF resulta de la combinación de 4 técnicas de observación de la geodesia
espacial:
Radio interferometría de muy larga base (VLBI), medición de distancias a
satétiles artificiales mediante LASER (SLR), Orbitografía Doppler integrada en
satélites (DORIS) y el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
Siendo que todas las técnicas son capaces de realizar observaciones de
precisión compatible, permitiendo determinar las coordenadas de las
estaciones receptoras con errores menores que 1 cm, cada técnica tiene su
particular peso en la determinación de distintos elementos que definen el ITRF:
La orientación del sistema de coordenadas respecto de un marco
prácticamente inercial por observación a objetos astronómicos tan lejanos que
pueden considerarse fijos en el espacio es provista por el VLBI. La posición del
origen del sistema de referencia en el espacio, haciéndolo coincidir con el
centro de masa de nuestro planeta se obtiene especiamente de SLR. La
definición de las distancias en el marco de la Teoría General de la Relatividad
es provista por todas las técnicas, ya que en todos los casos las mediciones se
basan en el estado de relojes atómicos muy precisos, tanto en órbita cuanto
sobre la superficie terrestre. En cuanto a la accesibilidad del ITRF, GPS y
DORIS tienen una cobertura de la superficie terrestre mucho más homogénea y
completa que las otras dos técnicas. La integración de las cuatro técnicas de
observación para formar el ITRF se basa en la existencia de estaciones de
observación que cuentan con más de una técnica. La figura 4 muestra la
distribución de las estaciones ITRF e indica al número de técnicas disponibles
en cada una.
La densificación del ITRF en América y La Argentina
Los primeros esfuerzos por establecer un marco de referencia continental en
América del Sur datan de la década del ‘40 del siglo XX. Este prácticamente
consistiría en la integración de las redes geodésicas existentes en los países
en una sola red. Las limitaciones de los métodos de medición y las
características geográficas del continente determinaron que recién en 1969 se
estableciera la red definitiva, llamada SAD’69 (South American Datum 1969),
calculada en los Estados Unidos, y que se muestra en la figura 3. Este marco
de referencia fue adoptado sólo por algunos países como Brasil, pero no llegó
en la práctica a ser el marco de referencia sudamericano.
Durante la década del ’90, en conexión con el establecimiento de la red
mundial de estaciones del ITRF, se establecieron densificaciones regionales,
nacionales y locales en todo el mundo con técnicas de observación y cálculo
compatibles con las de la red básica. En todos los casos se utilizó casi
exclusivamente la ténica GPS.
SIRGAS, SIstema de Referencia Geocéntrico para las AméricaS, es un
proyecto de cooperación internacional en ejecución desde 1993. Participaron
en él originalmente los países de América del Sur, y en 2000 se sumaron
varios de América Central, del Norte y Caribe. El proyecto es auspiciado por la
Asociación Internacional de Geodesia, el Instituto Panamericano de Geografía
e Historia (OEA), y la Agencia estadounidense para la producción de mapas e
imágenes (NIMA). Está integrado por representantes de
instituciones de
investigación geodésica y agencias nacionales cartográficas de los paises de la
región, además de algunas instituciones europeas, entre las que se destaca el
Instituto Alemán de Investigaciones Geodésicas (DGFI), de Munich.
Los objetivos del proyecto SIRGAS con básicamente tres: Establecer y
mantener un marco de referencia geocéntrico en América que constituya una
densificación de ITRF. Propender a que todos los países de la región adopten
densificaciones nacionales del marco SIRGAS como marcos de referencia
geodésicos nacionales. Establecer un nuevo y único marco de referencia de
alturas sobre el nivel del mar en América que sea compatible con las
heramientas actuales de la geodesia espacial.
El marco de referencia fue establecido en 1995 mediante una campaña
continental de medición con GPS en que participaron decenas de instituciones.
Las coordenadas fueron obtenidas a partir de los cálculos realizados por el
DGFI y la NIMA. Se establecieron coordenadas para 57 puntos en América del
Sur con errores del orden de 1 cm en las tres coordenadas. En 2000 se realizó
una nueva campaña en que muchos más países participaron y los cálculos se
realizaron en el DGFI y el IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia y Estadística,
Brasil). Se establecieron las coordenadas de muchos más puntos que en 1995,
y se estimaron velocidades en los puntos que ya habian sido observados en la
campaña anterior. Las figuras 5 y 6 muestran las redes SIRGAS medidas en
1995 y 2000 respectivamente.
POSGAR es el marco de referencia nacional oficial en Argentina. Consta de
aproximadamente 130 puntos bien distribuidos en el territorio. La red fue
medida completamente con GPS en 1993 y 1994 por el IGM, con aportes
significativos del proyecto CAP (Central Andes Proyect, Universidad de
Memphis, USA) y el SHN (Servicio de Hidrografía Naval). El cálculo fue
realizado en la Fac. de Cs. Astronómicas de Geofísicas de la UNLP. El marco
de referencia POSGAR94 resultante fue referido a WGS84 a través de los muy
pocos puntos disponibles en ese entonces (el marco SIRGAS aún no estaba
disponible) y calculado con técnicas menos rigurosas que las utilizadas en el
establecimiento del ITRF. Como resultado, el marco POSGAR94 tiene vectores
con errores menores que una parte en un millón (10 cm en distancias de 100
km) y errores en la posición absoluta de pocas decenas de cm en latitud y
longitud, alcanzando algo más que un metro en altura elipsoidal. La red
POSGAR94 se muestra en la figura 7.
En la misma época en que se midió POSGAR y en los años que siguieron, se
establecieron con GPS en Argentina una serie de redes geodésicas de
densificación. Las más importantes fueron las vinculadas a proyectos de
modernización de los catastros rural, urbano y minero. Como consecuencia,
desde el año 2000 ya hay más que 2000 puntos con coordenadas
determinadas con GPS cuyos errores son compatibles con los de POSGAR94
y tienen una buena distribución el el territorio nacional de forma tal que puntos
contiguos se encuentran separados unas pocas decenas de km.
A fin de hacer coincidir el marco de referencia argentino con SIRGAS y por
ende con el ITRF al máximo nivel posible, entre 1996 y 1998 la red POSGAR
fue recalculada: esta vez se contaba con 10 puntos SIRGAS en territorio
argentino más un punto en Chile que se podían utilizar como referencia.
Además, se contaba con la experiencia del cálculo de SIRGAS, lo que
permitiría utilizar los métodos de cálculo más rigurosos desarrollados hasta ese
momento. El marco de referencia resultante se llamó POSGAR98. Los vectores
que lo componen se ven en la figura 8. El error en las distancias para este
marco no depende de la distancia misma y los errores de las tres coordenadas
se encuentran por debajo de 3 cm.
Los sistemas WGS84, por definición el sistema de referencia de la órbitas
transmitidas por los satélites GPS, e ITRS, han ido convergiendo desde
principios de los ’90 hasta hoy en que coinciden en un orden de pocos
centímetros. Se puede decir entonces que POSGAR98 materializa en
Argentina los sistemas de referencia ITRS/WGS84. Esto es, sus coordenadas
son compatibles con las de las órbitas transmitidas por los satélites GPS y con
las coordenadas SIRGAS-ITRF. Esta compatibilidad es en el orden de 2 a 3
centímetros.
Implicancias geofísicas de los marcos de referencia globales de exactitud
centimétrica
Conviene en este punto detenerse y analizar al menos brevemente lo que
significa calcular pocisiones con errores centimétricos. Para esto primeramente
podemos clasificar los elementos más importantes que intervienen el
posicionamiento y los efectos asociados que se deberán considerar y conocer
con un grado de exactitud centimérica.
1- Posición del satélite.
2- Posición de la estación.
3- Propagación de la señal desde el satélite al receptor.
El cálculo de las órbitas de los satélites GPS tiene hoy errores de pocos
centímetros. Esto implica conocer el campo de gravedad terrestre pero no muy
detalladamente ya que los satélites están muy lejos de la Tierra. Sin embargo,
los modelos orbitales deben tener en cuenta detalles como por ejemplo la
forma y reflectividad de las superficies del satélite expuestas a la radiación
solar, ya que el impulso producido por la reflexión de la luz no es despreciable
en el cálculo.
A los fines de vincular las posiciones del satélite y la estación, la segunda se
puede separar en dos partes: la que deriva del movimiento de rotación terrestre
y afecta a la corteza terrestre como un todo, y los movimientos de la estación
misma, debidos a otros efectos.
Conocer el movimiento de rotación terrestre a niveles centimétricos implica
describir la rotación propiamente dicha, la precesión, nutación y el movimiento
del polo con ese mismo nivel de exactitud. Hoy en dia, la rotación propiamente
dicha y el movimiento del polo son dos componentes que no se pueden
predecir con la precisión que requieren las observaciones. Esto implica que se
deben estimar correcciones a estos movimientos a partir de ellas. A su vez,
tanto las las irregularidades en la velocidad de rotación terrestre o Variaciones
de la Longitud del Dia cuanto las variaciones en la orientación del polo de
rotación respecto de la figura de la Tierra (Movimiento del Polo) responden a
cambios en la distribución de masas en el planeta. En consecuencia estas
correcciones contienen importante información geofísica, cuyo análisis no sólo
sirve para mejorar el ITRF sino también para comprender fenómenos globales
como por ejemplo el efecto del niño.
Los movimiento que afectan la posición de la estación independientemente de
la rotación son en orden de importancia: movimientos tectónicos por deriva
continental, movimientos periódicos debidos al efecto de las mareas en las
estaciones cercanas a la costa, ascensos y descensos debidos a efectos
tetónicos regionales o respuesta a la deglaciación y movimientos locales
menores. Los movimientos debidos a la deriva continental son del orden de
varios centímetros por año, por lo que pueden detectarse por ejemplo mediante
observaciones repetidas en un mismo sitio durante pocos años. Investigaciones
de este tipo se llevan a cabo en todo el mundo desde hace ya diez años,
habiendo dado ya resultados impresionantes: Se han identificado las placas
tectónicas mayores (fig. 9) y se han estudiado sus zonas de borde, donde se
produce intensa deformación (fig. 10). En las figuras 11 y 12 se pueden ver
ejemplos que muestran las velocidades de deriva continental medidas en una
multitud de puntos en diversas partes del globo. En todos los casos pueden
apreciarse las diferentes velocidades y direcciones de movimiento aún dentro
de una misma placa tectónica. Estos datos de deformación que se pueden
obtener mediante las herramientas geodésicas permiten construir muevos
modelos de acumulación de tensiones en la corteza terrestre, lo que implica un
nuevo paso hacia la predicción de los terremotos. La figura 13 muestra como
ejemplo, la distribución de estaciones de monitoreo GPS correspondientes al
proyecto SAGA, dedicado a la investigación geodinámica en Argentina y Chile.
La figura 14 muestra un ejemplo de los resultados de esos proyectos
geodinámicos luego de diez años de trabajo. En la figura 15 se ven las
velocidades calculadas luego de las mediciones de SIRGAS en el año 2000.
Más arriba mencionamos que los sistemas de alturas clásicos materializan el
nivel del mar en uno o varios puntos mediante mareógrafos y luego lo propagan
hacia adentro del continente mediante redes de nivelación. Sin embargo, en
general los niveles medios medidos en diferentes mareógrafos no resultan
iguales cuando son conectados por nivelación. Suponiendo que los niveles
cero correspondieran a registros del mismo período, aun no coincidirán debido
a la diferente topografía del mar. Esto es, la superficie del mar no coincide con
una superficie de nivel del campo de gravedad. Esto sucede debido por
ejemplo a variaciones regionales de densidad del agua o al hecho de que el
océano no se encuentra en equilibrio estático.
En consecuencia, las
referencias de altura de los diferentes países pueden diferir en más que un
metro. Además, el nivel del mar cambia con el tiempo, pero como esa variación
es determinada en los mareógrafos, ella está afectada por los cambios de la
altura del mareógrafo mismo debidas a movimientos verticales de la corteza
terrestre. En resumen, el establecimiento de sistemas de alturas por
mareógrafos tiene numerosos problemas ya que niveles cero determinados en
distintas partes de la costa y en distintas épocas diferirán por: variación
espacial de la topografia del mar, variación temporal de la misma y diferente
comportamiento del terreno en los sitios de emplazamiento delo a mareógrafos.
Esto configura una situación que hasta hace poco tiempo no permitía
establecer un sistema de referencia de alturas global con una exactitud
superior al metro y medio. Sin embargo, en la actualidad, la altura de los
mareógrafos puede controlarse con GPS, para obtener la variación real del
nivel del mar. Además, satélites altimétricos miden la posición y evolución de la
superficie del mar respecto del ITRF (figura 18 y 19). Otros satélites, permitirán
dentro de algunos años determinar las superficies de nivel del campo
gravitatorio terrestre con muchas exactitud sobre los mares. Entonces será
posible corregir los niveles cero medidos en los distintos mareógrafos por la
topografía del mar y los movimientos verticales en el mareógrafo, y definir un
único cero para las alturas que sea común a una región, continente o incluso al
planeta completo. Paralelamente, esto permitirá estudiar las variaciones reales
del nivel del mar, lo que contribuirá al estudio del Cambio Global. En nuestro
país, el grupo GESA de la FCAG, en cooperación con el DGFI de Alemania,
realizan el control de varios mareógrafos con GPS desde 1998. Para ello se
monitorean varios mareógrafos de argentinos con respecto a una red de
estaciones de rastreo GPS permanente. La figura 20 muestra la red de
mareógrafos monitoreados (Mar del Plata, Puerto Madryn y Puerto Belgrano).
Los efectos debidos al medio en que se propagan las señales son básicamente
producidos pos los electrones libres presentes an la ionósfera, situada a unos
340km de la superficie y por el vapor de agua presente en la Tropósfera, en los
primeros 10km desde la superficie.
La distribución del contenido electrónico de la ionósfera terrestre depende
fuertemente de la actividad solar y de la interacción de esas partículas con el
campo magnético terrestre. Las observaciones GPS por estaciones de rastreo
permanente permiten estimar esta distribución electrónica (ver ejemplo en
figura 16) y sus variaciones temporales. Esta capacidad constituye un aporte
relevante al estudio de la dinámica ionosférica y de la interacción del viento
solar con el campo magnético terrestre. Existen varios grupos de investigación
en el mundo que se dedican a esta actividad. En La Argentina, el grupo GESA
de la FCAG-UNLP trabaja en este tema desde hace ya casi diez años.
La distribución de vapor de agua en la atmófera y sus variaciones son de gran
importancia para la comprensión de los fenómenos climáticos e incluso para la
predicción del tiempo. Combinando mediciones de la red global de estaciones
GPS y redes más densas, es posible estimar la cantidad de agua precipitable
sobre una región y sus variaciones temporales. En la figura 17 se muestra un
ejemplo.
Redes de estaciones de rastreo GPS permanente, el futuro de los marcos
de referencia
Durante los años pasados, se han establecido más de una decena de
estaciones de rastreo permanente GPS en nuestro pais, como se muestra en la
figura 21. Muchas de ellas cumplen con la mayoría de los estándares
requeridos para integrar la red de estaciones del ITRF. En la actualidad, las
observaciones de un grupo de estas estaciones son rutinariamente procesadas
en el DGFI para contribuir al ITRF. Nuestro pais cuenta ya con recursos
humanos capaces de manejar el problema de los sistemas de referencia
modernos. Se requiere un plan estratégico y los recursos adecuados para
reemplazar el actual marco de referencia POSGAR por uno nuevo, basado en
estaciones permanentes multipropósito. Esto permitirá contar con un marco de
referencia nacional adecuado a las máximas exigencias de exactitud que las
técnicas actuales permiten, y a la vez minimizar los costos de instalación,
operación y mantenimiento del mismo.
Conclusiones
No caben dudas de que entre las nuevas herramientas de la geodesia, GPS
sobresale por su versatilidad y bajo costo desde el punto de vista del usuario.
Este hecho hace posible la conformación de una infraestructura global de datos
geoespaciales con una exactitud centimétrica y a la vez accesible.
La naturaleza de los sistemas de referencia de la geodesia moderna han dado
a esta ciencia un papel más relevante dentro de las ciencias de la Tierra,
aportando por una parte un marco común para referir datos de orígenes
diversos y por otro lado proveyendo nueva información en problemas relativos
a la dinámica de la Tierra sólida, los mares y la atmósfera.
En el caso particular de nuestro pais, la última década ha visto por un lado el
desarrollo de capacidad y experiencia locales en el manejo del problema de
los nuevos sistemas de referencia de la geodesia y de otros problemas
asociados que a su vez tienen importantes implicancias geofísicas. Por otro
lado se ha dado una transición desde los sistemas geodésicos clásicos al ITRF
a través de SIRGAS, POSGAR y las redes geodésicas provinciales. Esta
transición se desarrolla en un marco de intensa cooperación entre instituciones
científicas y técnicas tanto en el ámbito nacional cuanto en el regional. Los
resultados obtenidos hasta ahora sugieren que es posible para el pais la
realización del mantenimiento matemático de la infraestructura geodésica
básica con recursos locales. Todo lo que se requiere es una una política de
estado y un presupuesto adecuado a tal fin.
Agradecimientos
En primer lugar deseo agradecer a la Academia Nacional de Ingeniería por el
haber considerado mi trabajo de tesis para el otorgamiento de este premio
Ingeniero Baglietto. En segundo lugar agradezco al Dr. Claudio Bunini, mi
director de tesis, no solo por haberme propuesto para este premio sino por
haberme acompañado y apoyado con entusiasmo durante los varios años que
demandó la ejecución del trabajo.
Quiero además agradecer al DGFI, y en especial a su director, el Dr. Hermann
Drewes y al ahora ex-director del grupo de trabajo Sistemas de referencia
terrestres del DGFI, el Ing. Klaus Kaniuth, por el esfuerzo puestos en el
desarrollo de la cooperación científica con nuestro grupo de investigación
GESA, uno de cuyos resultados ha sido mi trabajo de tesis.
Además, debo mencionar a un grupo de instituciones y personas que
contribuyeron de diversas maneras a la realización de mi trabajo: el CONICET
y la FCAG-UNLP financiaron mayormente los trabajos con aportes más
pequeños de la SeCyT y el DAAD. El Instituto Geográfico Militar cooperó desde
el principio de los trabajos relativos a POSGAR y SIRGAS y ha desarrollado
una cooperación con GESA que va mucho más allá de este trabajo. Quiero
agradecer al Ing. Juan Carlos Usandivaras, quien me inició en la Geodesia y
me guió en el principio de mi labor de investigación. Finalmente quiero
mencionar al Ing. Rubén Rodríguez, quién en su infatigable promoción de las
herramientas y métodos de la geodesia espacial ha contribuido a una difusión
de los resultados de mi trabajo que no hubiera sido posible sólo desde el
ámbito académico.
Figura 1: Marcos de referencia horizontales usados hasta la actualidad en La
Argentina
Figura 2: El marco de referencia vertical nacional. Red de nivelación de alta
precisión. (IGM)
Figura 3: SAD’69. Primer marco de referencia sudamericano unificado.
Figura 4: Red de estaciones del ITRF. Sitios en los que se observa con varias
técnicas de la geodesia Espacial. 1: Los números indican el número de
técnicas con que se observa en un sitio dado siendo estas: GPS, DORIS, SLR
y VLBI. (IERS)
Figura 5: Marco de referencia SIRGAS 95 (DGFI)
Figura 6: Marco de referencia SIRGAS 2000 (DGFI)
Figura 7: El marco de referencia POSGAR 94
Vectores que integraron el ajuste de POSGAR 98
Reproducida de [J. Moirano,Tesis Doctoral 2000]
Figura 8: Estaciones y vectores GPS que integran el marco de referencia
POSGAR 98
Tomado del sitio web del DGFI
Figura 9: Velocidades de las principales placas tetónicas determinadas por
métodos geofísicos (rojo) y a partir del marco ITRF (azul). (DGFI)
Figura 10: Principales zonas de deformación del planeta, donde el movimiento
de los puntos no puede ser explicado sencillamente con la velocidad de una
placa.
Tomado del sitio web del NAVSTAR University Consortium
Tomado del sitio web del NAVSTAR University Consortium
Ejemplos de análisis de deformaciones tectónicas realizados con GPS en
Turquía y Mediterráneo oriental (Figura 11) y en la zona de la falla de San
Andrés (Figura 12) UNAVCO
Tomado del sitio web del NAVSTAR University Consortium
Red Geodinamica SAGA [PASMA, 2001]
Reproducida de [V. Mackern; Tesis Doctoral 2003]
Figura 13: Red GPS del proyecto geodinámico SAGA (GFZ)
Figura 14: Ejemplo de velocidades estimadas con GPS (UNAVCO).
Figura 15: Velocidades estimadas para la red de estaciones permanentes de
sudamérica (DGFI).
Figura 16: Contenido electrónico total global en la ionósfera obtenido de
observaciones GPS (CODE)
Figura 17:Cantidad de agua precipitable en la tropósfera obtenida de
observaciones GPS (UNAVCO)
Comportamiento de la superficie del mar respecto del Geoide
Figura 18: Topografia del mar en metros respecto del Geoide EGM96 (DGFI)
Figura 19: Variación global del nivel del mar en mm/año (DGFI)
Figura 20: Estaciones de rastreo GPS permanentes en Argentina
Reproducido de [Brunini y otros, 2002]
Figura 21: Mareógrafos controlados con GPS por GESA-UNLP y DGFI
Reproducido de [Natali y otros, 2001]
Reproducido de [Natali y otros, 2001]