las redes rtk y la ingeniería civil. el proyecto iberef

LAS REDES RTK Y LA INGENIERÍA CIVIL. EL PROYECTO
IBEREF
A. Seco (P)*, J. Peñafiel**, F. Ramírez*, B. García*, M. González de Audícana*,
R. García*
*Dpto. De Proyectos e Ingeniería Rural de la Universidad Pública de Navarra.
**Leica Geosystems, S.A.
[email protected]
RESUMEN
Dentro del amplio espectro de los usuarios G.P.S. aquellos con aplicación en ingeniería
civil suponen un segmento porcentualmente pequeño pero de gran peso en el sector de
los fabricantes de equipos ya que son los usuarios que requieren más altas precisiones y
trabajan en tiempo real, lo cual supone la utilización de equipos muy avanzados y caros.
El método de medición G.P.S. más habitualmente empleado por este tipo de usuarios es
el RTK. Frente al RTK tradicional en los últimos tiempos se han desarrollado las redes
RTK que permiten eliminar gran parte de los inconvenientes del RTK tradicional
mejorando aspectos tan importantes como la exactitud, fiabilidad, disponibilidad y
rendimiento del sistema.
En España en la actualidad se está implantando la red IBEREF que pretende ser la
primera red RTK nacional a gran escala. Esta red permitirá alcanzar precisiones de entre
1 y 3 cm en cualquier zona del territorio donde se encuentre implantada y revolucionará
los actuales métodos de trabajo G.P.S. en obra.
INTRODUCCIÓN
Los usuarios G.P.S. dentro del campo de la ingeniería civil representan un
segmento de usuarios que suponen en la actualidad en torno al 5% del total. El
desarrollo de nuevas aplicaciones de esta tecnología se espera que reduzca el peso
relativo de este segmento de usuarios hasta situarlo en 2005 en torno al 1% del total
[Seco, 2002].
A pesar de esta disminución porcentual sobre el mercado total del G.P.S.
este segmento de usuarios está experimentando un notable desarrollo gracias en gran
medida al desarrollo de los algoritmos que permiten las observaciones en tiempo real.
Esto ha permitido que el G.P.S. pase a ser competitivo con la topografía clásica que
hasta hace poco era la única fuente de datos topográficos disponible en el campo de la
ingeniería civil.
El segmento de usuarios G.P.S. en ingeniería civil presenta una serie de
características que lo diferencian del resto de usuarios:
1. Número de usuarios reducido.
2. Se requieren altas precisiones (orden centimétrico).
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3. Necesidad de trabajar en tiempo real.
A pesar de suponer un porcentaje pequeño sobre el número de usuarios
totales, este segmento tiene un gran peso económico tanto para las empresas fabricantes
de equipos, ya que se requieren aparatos muy costosos, como para las empresas usuarias
que emplean estos instrumentos en un sector económico que mueve grandes sumas de
dinero, como es la construcción.
En la actualidad los estándares de precisión que se manejan en este
campo de la actividad humana son los obtenibles con las técnicas de topografía clásica.
Estas técnicas topográficas permiten, con los métodos e instrumentación actualmente
disponibles alcanzar precisiones centimétricas tanto en planimetría como en altimetría.
El requisito de las altas precisiones requeridas condiciona aspectos tan
importantes como los métodos de observación G.P.S. empleados, el número de equipos
necesarios, etc.
FIGURA 1. Métodos de observación G.P.S. y precisiones alcanzables [Peyret, 2000].
Como se puede observar en la figura 1, las precisiones alcanzables en
mediciones G.P.S. alcanzan un rango desde los 200 m hasta 1 mm, en función del
método de observación empleado. Dadas las precisiones requeridas en ingeniería civil
se puede ver que los únicos métodos con aplicación en este campo son los métodos
diferenciales basados en la medida de la fase de las señales portadoras. La necesidad de
trabajar en tiempo real añade el requisito de disponer de enlace entre los receptores. El
método más empleado en este tipo de aplicaciones es el cinemático en tiempo real, más
conocido por sus siglas en inglés RTK.
EL MÉTODO RTK CLÁSICO
El modo cinemático se basa en inicializar el equipo móvil con la
resolución de las ambigüedades para luego desplazarse a los puntos de medición que
son observados en periodos cortos, habitualmente de unos pocos segundos. Las
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precisiones nominales de este método se encuentran entre los 1 y 3 cm+1 ppm de
E.C.M. en planta y entre los 2 y 4 cm+1 ppm de E.C.M. en altimetría (Leica, 1998),
suficiente para la mayoría de las fases de ejecución de una obra.
Los mayores inconvenientes de este método son:
1.
Durante todo el tiempo que dure la medición, el receptor tiene que mantener
permanentemente el contacto con un mínimo de 4 satélites. La pérdida de contacto con
los mismos produce la pérdida de las ambigüedades en cuyo caso se deben de volver a
determinar antes de continuar con las mediciones, es lo que se denomina iniciar una
nueva cadena.
2.
La necesidad de disponer de un receptor fijo en un punto de la red geodésica
local mientras se trabaja lo que hace necesaria una inversión mayor en equipos.
3.
La necesidad de que el receptor móvil reciba en todo momento las correcciones
diferenciales emitidas por el receptor fijo. En la actualidad esto se resuelve mediante el
empleo de un radioenlace. En condiciones de medición normales este radioenlace tiene
un alcance máximo de entre 3 y 7 Km en función de las características de la zona de
trabajo, lo cual implica la necesidad de desplazar el receptor fijo a puntos fijos en las
zonas de trabajo para garantizar la cobertura de radio.
FUENTES DE ERROR EN EL POSICIONAMIENTO RTK
De entre todas las fuentes de error propias de las mediciones G.P.S.
comentaremos aquellas que tienen especial interés desde el punto de vista de las
observaciones RTK [Seco, 2001]:
1.
retraso ionosférico.La señal G.P.S. se propaga en el vacío a la velocidad de la
luz (c). Sin embargo en la atmósfera su comportamiento es distinto, sufriendo refracción
y dispersión. El retraso que sufre la señal G.P.S. es debido en gran medida a la
presencia de electrones libres en la atmósfera, TEC (Total Electron Content). Éstos son
especialmente abundantes en la ionosfera, entre los 50 y los 1.200 km de altura, por lo
que este efecto se asigna en su totalidad a esta franja de la atmósfera [Mansilla et al,
1990]. Esto provoca un retraso de la señal que se traduce en una determinación errónea
de la distancia satélite-receptor y por tanto un error de posición.
2.
Retraso troposférico. Las señales electromagnéticas de la banda L como es el
caso de las señales G.P.S. en la troposfera (hasta los 50 Km de altura), sufren un efecto
de refracción. Este efecto depende de factores atmosféricos como la presión, la
temperatura y la humedad y varía según la altitud del observador [Capdevila, 1995].
3.
Diferencias en la geometría de la constelación. Debido a la distancia entre
receptores, la posición relativa del receptor con respecto de la constelación observada
no es exactamente la misma en el fijo que en el móvil. Esto puede inducir que las
correcciones diferenciales calculadas en el receptor fijo no sean estrictamente correctas
para la posición del receptor móvil.
4.
Efecto multisenda. También conocido como efecto multicamino o multipath.
Este error se produce cuando la señal del satélite llega al receptor por más de un
camino. Este efecto se suele producir cuando el receptor se encuentra cerca de
superficies muy reflectivas como las estructuras metálicas. En estos casos el receptor
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recibe la señal directa del satélite y un lapso de tiempo después la señal reflejada. El
receptor interpreta esto como un ruido en la señal y puede inducir un cálculo erróneo de
las coordenadas del punto.
5.
Difracción de la señal G.P.S. Este efecto se produce cuando el receptor recibe
señales de satélites que se encuentran muy bajos sobre el horizonte. Estas señales
atraviesan grandes distancias a través de la atmósfera sufriendo este efecto [Bétaille,
2002].
6.
Fallos de radioenlace. El radio de alcance del radioenlace puede verse alterado
por la topografía de la zona, la presencia de vegetación, la cercanía de líneas eléctricas,
etc. la pérdida del radioenlace imposibilita el trabajo en tiempo real y obliga a la
elección de emplazamientos para el receptor fijo con buena cobertura en la zona de
trabajo.
El RTK al igual que los otros métodos de observación G.P.S. diferencial
se basa en la asunción de que los errores que afectan al receptor fijo y al móvil son los
mismos. Esta suposición sólo se puede considerar como válida cuando la distancia entre
ambos equipos es lo suficientemente corta. En este caso los receptores estarán
recibiendo los mismos satélites, con la misma geometría y las fuentes de error podrán
ser consideradas al menos de la misma magnitud en ambos equipos. A medida que crece
la distancia entre ambos receptores esta suposición es cada vez menos cierta, lo que se
traduce en disminuciones de la precisión alcanzable. La distancia habitualmente
considerada como límite para esta suposición se suele establecer en los 20 Km. Por
encima de esta distancia se recomienda no trabajar y en caso de hacerlo es preferible
recurrir a tiempos de observación largos (por encima de los 30 minutos).
LAS REDES RTK
Una alternativa de gran futuro para el método RTK clásico son las redes
RTK. El concepto de las redes RTK se puede representar gráficamente de manera
intuitiva. Supóngase una zona de trabajo en la cual disponemos de una red geodésica
como se muestra en la figura 2:
ZONA DE TRABAJO
FIGURA 2. Red geodésica y zona de trabajo.
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Si el tamaño de dicha zona es lo suficientemente grande obligará a la
utilización de diferentes puntos de referencia en función de la zona concreta del
territorio sobre la que se esté trabajando pudiendo, en función de las características de la
zona, la geometría de la red y de su tamaño y de las condiciones de observación,
encontrarse zonas en las cuales las condiciones de observación no sean buenas e incluso
zonas sin cobertura.
En la figura 3 se muestra un ejemplo de las variaciones en la cobertura de
la zona de trabajo en función de que las condiciones de observación varíen por ejemplo
en función de la calidad de la constelación o la actividad ionosférica.
Frente a este planteamiento, empleado en las mediciones en modo RTK
tradicional las redes RTK presentan una gran ventaja. El planteamiento de las mismas se
basa en la disposición de receptores G.P.S. fijos sobre puntos de la geodesia local. Esto
supone una serie de ventajas:
1.
La utilización de un marco de referencia observado con G.P.S. permite disponer
de una red geodésica muy coherente facilitando el trabajo topográfico, sobre todo en
grandes obras.
2.
Modelado mucho más precisa de las fuentes de error que afectan a los receptores
G.P.S. Como se ha citado anteriormente los métodos diferenciales clásicos se basan en
la suposición de que los errores que afectan al receptor móvil son los mismos que en el
caso del receptor fijo. Frente a esta suposición, la disponibilidad de varios receptores
fijos en torno a la zona de trabajo, permite un modelado espacial de estos errores por lo
que se reduce en gran medida el error que se comete al considerar la magnitud de los
errores del móvil iguales que los del fijo.
3.
El hecho de usar varios receptores de referencia facilita la resolución de las
ambigüedades tanto en el tiempo necesario para su resolución como en la mayor
fiabilidad de las mismas.
4.
Se reduce en gran medida la dependencia de los errores cometidos de la
distancia entre receptores. Esto permite que se pueda trabajar con líneas-base mucho
más largas que las tradicionalmente empleadas, siendo posible precisiones de orden
centimétrico a distancias incluso de 40-50 Km.
5.
La implantación de redes de estaciones fijas G.P.S. a lo largo del territorio
permite a los actuales usuarios prescindir del receptor fijo, que puede usarse como
móvil con el consiguiente aumento de la rentabilidad de la inversión en el equipo, y el
aumento del rendimiento del mismo al desaparecer el inconveniente de la necesidad de
desplazar el receptor fijo en función de los cambios de la zona de trabajo.
Una consecuencia derivada del aumento de la longitud de las líneas base
utilizables es la necesidad de incorporar a los equipos, módems GSM que permitan
conectarse a la estación de control del sistema para recibir las correcciones diferenciales
en aquellas zonas en donde el radioenlace tradicional no disponga de cobertura. El
enlace GSM en la actualidad presenta la ventaja de su gran cobertura, lo cual elimina en
gran medida los problemas que actualmente se encuentran los topógrafos en las zonas
de difícil geometría tales como vaguadas, etc.
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ZONA DE TRABAJO
Exactitud, Fiabilidad, Disponibilidad
Mala
Buena
a)
ZONA DE TRABAJO
Exactitud, Fiabilidad, Disponibilidad
Mala
Buena
b)
ZONA DE TRABAJO
Exactitud, Fiabilidad, Disponibilidad
Mala
Buena
c)
FIGURA 3. Grado de cobertura de una zona en función de las condiciones de observación G.P.S.
231
En la actualida existen básicamente dos tipos de modelado de los errores en
las redes rtk que son Geo++ GNNET-SMART y VRS [Peñafiel, 2002].
Datos brutos GPS
Estación
referencia
Estación
referencia
VRS
Centro de control
de la red
Correcciones RTCM via GSM Radio
- Comunicacion
- Modelación del error
- Monitorización
- Creación de datos virtuales
- Salida RTCM
o
Estación
referencia
FKP
Datos brutos GPS
Estación
referencia
Estación
referencia
FIGURA 4. Esquema de una red RTK.
Geo++ GNNET-SMART
En este tipo de modelación se emplean los datos de todas las estaciones fijas
de manera conjunta, generándose un modelo dinámico general del “estado del espacio”
así como unos parámetros de corrección de los errores espaciales para cada zona del
territorio denominados FKP que el receptor móvil emplea para generar sus correcciones
por interpolación.
Como ventajas de este sistema se encuentra la posibilidad de un número de
usuarios del sistema ilimitado y la unidireccionalidad de la comunicación desde la
estación de control a los receptores móviles.
VRS
En este tipo de modelado el receptor móvil envía su posición a la estación
de control del sistema la cual, a partir de la misma, genera unas correcciones como si en
la zona próxima al receptor móvil se encontrara una estación de referencia (Virtual
Reference Station).
Este sistema de modelado implica la bidireccionalidad de la comunicación
entre los receptores (el móvil debe enviar su posición al fijo y este a su vez envía las
correcciones al móvil). Además el hecho de generar unas correcciones específicas para
cada receptor móvil que se encuentre en la zona limita el número de usuarios del
sistema y requiere de grandes recursos de computación y de transmisión en la estación
de control para la generación y difusión de las correcciones.
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IBEREF
El proyecto IBEREF supone la implantación en el terreno de la primera red
RTK de España. Aunque su difusión aún es limitada, se están buscando los apoyos
necesarios para la puesta en funcionamiento del mayor número de estaciones de
referencia GPS permanentes posibles, con el propósito de dar una cobertura a la
comunidad Topográfica/ Cartográfica lo más amplia posible. En la actualidad se
dispone de estaciones funcionando en Extremadura, Castilla la Mancha, Cataluña,
Madrid y Galicia. Cabe destacar el desarrollo de la red en Madrid en donde en breve se
contará con 7 estaciones. En un futuro próximo está prevista la instalación de 3 nuevas
estaciones en el País Vasco y una más en Navarra. Como servicios disponibles en la
actualidad para los usuarios de IBEREF se encuentra la posibilidad de acceder a la
siguiente información:
•
datos brutos disponibles en WEB/FTP (www.iberef-gps.com).
•
correcciones diferenciales RTK (formato Leica de tipo FKP).
•
correcciones RTCM (correcciones estándar) con precisión de unos
pocos centímetros.
El proyecto está liderado por Leica Geosystems, contándose con apoyos
locales de instituciones privadas y públicas con el prestigio adecuado dentro de la
comunidad Topográfica, que lideran el proyecto localmente, así como la gestión de
estas redes locales de estaciones de referencia GPS.
Las estaciones de referencia constan de receptores GPS de doble frecuencia
(L1 y L2) preferentemente con antena de tipo choke-ring que registran datos cada 1
segundo. Están dotadas de la capacidad para enviar mensajes RTCM/RTK mediante
GSM, radio o de ambos a la vez con el fin de obtener precisión en torno a los 1-3 cm. en
cualquier lugar de la Red en tiempo real. Esto permitirá al sistema ofrecer las
precisiones requeridas para su utilización en obra.
En una fase posterior está previsto dejar estas correcciones en Internet,
cuando exista la tarifa plana en las conexiones GPRS y los equipos GPS móviles estén
preparados para una conexión en campo a Internet. Esto permitirá una gestión más
eficiente de los usuarios del sistema ya que los mismos, en vez de conectarse
directamente a la estación de control cuya capacidad de usuarios simultáneos está
limitada al número de líneas disponibles, lo harán a través de un servidor del sistema y
de la página web creada al efecto. En la actualidad esta posibilidad ya es técnicamente
posible aunque su implantación está temporalmente detenida por su alto coste de
operación.
ESPECTATIVAS DE FUTURO
Dadas las evidentes ventajas que presentan las redes RTK frente al método
RTK tradicional se espera que tanto IBEREF como otras redes similares tengan una
rápida expansión en los próximos años por todo el territorio nacional.
Es posible que a pesar de sus evidentes ventajas la implantación de un
sistema de este tipo de manera permanente no sea rentable en aquellas zonas donde la
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actividad constructiva sea escasa. A pesar de ello el sistema en estas zonas sí sería
operativo aunque seguramente no se alcanzarían los estándares de precisión que se
requieren en construcción aunque sí serían válidos para otras muchas aplicaciones
(ordenación del territorio, catastro de rústica, etc.). Los niveles de precisión alcanzables
en tales condiciones serían variables en función de factores como la distancia hasta la
red RTK más cercana, la geometría respecto de la misma, etc.
Para la realización de obras en estas zonas sin embargo sí que podría ser
rentable la implantación de micro-redes RTK temporales formadas por estaciones fijas
móviles que pudieran ser desplazadas a aquellas obras que, por su envergadura y su alto
presupuesto, lo justificaran económicamente.
REFERENCIAS
Capdevila, J. “Modelos matemáticos de las observaciones G.P.S.” Servicio Regional del IGN,
1995.
Bétaille, D. “G.P.S. signal code and phase tracking and multipath mitigation techniques” 1º
Jornada G.P.S. Universidad Pública de Navarra, Pamplona, Octubre 2002.
Leica AG. “Guía para las mediciones G.P.S. Stop and Go y cineméticas” G.P.S.-System 300,
G2-905-Oes-IL.98, 1998
Mansilla, G.A., Ríos, V.H., Manzano, J.R., Lagori, J.F. “Comportamiento diario y latitudinal
del tiempo de retardo ionosférico de señales G.P.S. para propagación cuasilongitudinal sobre
estaciones de Sudamérica(1)” Revista de Geofísica, nº 46, pp: 159-164, 1990.
Peñafiel, J. “Introduction to RTK network solutions” G.P.S. Networks conference, Heerbrugg,
2002.
Peyret, F. “The paradigm of computer integrated construction applied to civil-engineering”.
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, France, 2000.
Seco, A. “Aplicación de tecnología G.P.S. a la generación de los modelos digitales del terreno
en ingeniería civil”. Tesis Doctoral. Universidad Pública de Navarra, 2001.
Seco, A.“Situación actual del G.P.S. en ingeniería civil en Navarra” 1º Jornada G.P.S.
Universidad Pública de Navarra, Pamplona, Octubre 2002.
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