Geodesia Satelital (1)

Geodesia Satelital
M. Sc. Ing. Fanny Eto Chero
Agosto 2017
Geodesia Satelital: 1. Introducción
1.0 Contenido del Curso
1.1 Objeto de la Geodesia Satelital
1.2 Clasificación y conceptos básicos de la geodesia
satelital
1.3 Desarrollo histórico de la geodesia satelital
1.4 Aplicaciones de la geodesia satelital
1.5 Estructura y ObjeGvo del Curso
Geodesia Satelital
2
1.0 Contenido del Curso 1/2
• Introducción.
– Clasificación.
– Obje:vos
– Aplicaciones de la Geodesia Satelital.
• Sistemas de coordenadas, cartesianas, geodésicos, UTM.
– El geoide, el elipsoide, Sistemas locales:
• el PSAD56.
• Sistemas satelitales el WGS84.
– El :empo: Tiempo Sideral y Tiempo Universal.
• Tiempo Dinámico. Tiempo Atómico el leap secod (salto de segundo).
• El :empo UTC. Relojes atómicos. Semana GPS, :empo GPS.
– Propagación de las señales GPS, la atmosfera, la troposfera.
• Movimiento de los satélites
– Movimientos Keplerianos.
– Perturbaciones.
– Otros sistemas de navegación y Posicionamiento: GLONASS. GALILEO.
Geodesia Satelital
3
1.0 Contenido del Curso 2/2
•
Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
– Segmentos: Espacial (Satélites). Control y Usuarios (receptores GPS).
– Diferentes :pos de receptores. Efemérides de los satélites.
– Desarrollo del Sistema. Tipos de recepciones de satélites de una y doble frecuencia,
precisiones.
– Métodos de medición:
• Está:co. Está:co rápido.
• Cinemá:co. RTK. Modo diferencial. Cálculos en :empo real y pos proceso. Procesamiento en línea:
El OPUS, AUSPOS, USGS, etc.
–
–
–
–
Errores y correcciones en las mediciones. Efecto ionosferico.
La red permanente del Ins:tuto Geográfico Nacional (IGN).
Múl:ples Caminos.
Aplicaciones:
•
•
•
•
•
•
•
Levantamientos Catastrales.
GIS.
Geodinámica.
Tectónica de Placas.
Fotogrametría.
Hidrogra\a.
Ba:metría.
– Otros sistemas de navegación y Posicionamiento: GLONASS. GALILEO.
Geodesia Satelital
4
Diferencia entre Topogra\a y Geodesia
• Ambas :enen la misma finalidad: “ Medir
Extensiones de Tierra”
• Difieren entre sí: por las medidas consideradas entre
ellas y en los métodos empleados.
La TopograLa
opera sobre proporciones pequeñas de
:erra, no teniendo en cuenta la
verdadera forma de ésta, un elipsoide,
considera la superficie terrestre plana.
Cada punto se determina con
coordenadas planas x, y y en algunos
casos altura h.
El Error considerado nulo, para una
extensión 20 km de longitud un
cenemetro más largo, lo que equivale a
1” de error
La Geodesia
Se u:liza para medir grandes
extensiones como para confeccionar la
carta de un país, de un departamento o
una ciudad grandes
Se considerar la verdadera forma de
una esfera o elipsoide, ya no es plana.
Cada punto se determina en
coordenadas esféricas (la:tud,
longitud)
1.1 Objeto de la Geodesia Satelital 1/2
El término Geodesia, del griego γη (":erra") y δαιζω ("divisiones" o "yo divido") fue usado inicialmente por
Aristóteles (384-322 a.C.) y puede significar, tanto "divisiones geográficas de la :erra", como también el acto
de "dividir la :erra", por ejemplo, entre propietarios.
La Geodesia es, al mismo Gempo, una rama de las Geociencias y una Ingeniería. Trata del
levantamiento y de la representación de la forma y de la superficie de la Tierra, global y parcial,
con sus formas naturales y arGficiales.
La Geodesia también es usada en matemáGcas para la medición y el cálculo sobre superficies
curvas. Se usan métodos semejantes a aquellos usados en la superficie curva de la Tierra.
La Geodesia suministra, con sus teorías y sus resultados de mediciones y cálculos, la referencia geométrica
para las demás geociencias como también para a geomá:ca, los Sistemas de Información Geográfica, el
catastro, la planificación, la ingeniería, la construcción, el urbanismo, la navegación aérea, marí:ma y terrestre,
entre otros e, inclusive, para aplicaciones militares y programas espaciales, debido a que :ene como
principales propósitos:
•
•
•
•
Establecimiento y mantenimiento de redes de control geodésico tridimensionales, nacionales y global,
reconociendo el :empo como aspecto variante en dichas redes;
Medición y representación de fenómenos geodinámicos tales como movimiento polar, mareas terrestres,
y movimientos de corteza;
Determinación del campo de gravedad terrestre, incluyendo las variaciones temporales;
Determinación de parámetros, similar a los geodésicos, para otros cuerpos del sistema solar.
Geodesia Satelital
6
1.1 Objeto de la Geodesia Satelital 2/2
Siguiendo la definición clásica de Helmert (1880/1884), “la geodesia es la ciencia de la medición y la
cartograLa de la superficie terrestre”. Esta definición incluye la determinación del campo de gravedad
terrestre externo, así como, la superficie del suelo oceánico, cf. (Torge, 2001). La geodesia satelital comprende
las técnicas observacionales y computacionales que permiten la solución de problemas geodésicos mediante
el uso de mediciones precisas hacia, desde, o entre satélites arGficiales, casi todos cercanos a la Tierra.
Además de la definición de Helmert, que aún es válida, los obje:vos de la geodesia satelital se consideran
principalmente de manera funcional. También incluyen, debido a la creciente precisión observacional,
variaciones dependientes del :empo.
Los problemas básicos son:
• 1. determinación de posiciones tridimensionales globales, regionales y locales precisas (por
ejemplo, establecimiento de un control geodésico)
• 2. determinación del campo de gravedad de la Tierra y funciones lineales de este campo
(por ejemplo, un geoide preciso)
• 3. Medición y modelado de fenómenos geodinámicos (por ejemplo, movimiento polar,
rotación de la Tierra, deformación de cristal).
El uso de satélites ar:ficiales en la geodesia :ene algunos requisitos previos; Estos son básicamente un
conocimiento completo del movimiento del satélite bajo la influencia de todas las fuerzas que actúan, así como
la descripción de las posiciones de los satélites y de las estaciones terrestres en los marcos de referencia
adecuados. En consecuencia, las observaciones por satélite se u:lizan para resolver diversos problemas, la
geodesia por satélite puede asignarse al campo de las ciencias aplicadas. Teniendo en cuenta la naturaleza de
los problemas, la geodesia por satélite pertenece igualmente a las geociencias y a las ciencias de la ingeniería.
Geodesia Satelital
7
1.2 Clasificación y conceptos básicos
de la geodesia satelital
Ramas de la Geodesia
Geodesia
Geométrica
GEODESIA
SUPERIOR
Geodesia
Física
GEODESIA
Geodesia
Satelital
GEODESIA
PRACTICA
Topogra\a
Partes de la Geodesia
Geodesia Física
Geodesia Geométrica
Se encarga del Campo
Gravitatorio de la Tierra
Se encarga de estudiar la
geometría de la Tierra en la
cual de crea el elipsoide
PARTES
DE LA
GEODESIA
Geodesia Astronómica
Se encarga de u:lizar a los
astros para referenciar, para
ubicar las posiciones por medio
de tecnología y demás
Geodesia Espacial o
Satelital
Para dar posiciones GPS
satélite para ubicar un punto
de la :erra de un objeto
1.2 Clasificación y conceptos básicos de
la geodesia satelital 1/5
En virtud de su gran exac:tud y velocidad, los métodos y los
resultados de la geodesia satelital se u:lizan cada vez más en
otras disciplinas como p. Geo\sica, oceanogra\a y navegación, y
forman parte integrante de la geoinformá:ca.
Desde el lanzamiento del primer satélite ar:ficial SPUTNIK-1, el 4
de octubre de 1957, la geodesia por satélite se ha conver:do en
un campo autocontenido en la enseñanza e inves:gación
geodésica, con estrechas relaciones e interacciones con campos
adyacentes. Las asignaciones y competencias se deben al
desarrollo histórico.
Geodesia Satelital
11
1.2 Clasificación y conceptos básicos de
la geodesia satelital 2/5
En Astronomía Geodésica, basándose en las reglas de Astronomía Esférica, la
orientación del vector de gravedad local (longitud geográfica Λ, la:tud
geográfica Φ) y el azimut astronómico A de una marca terrestre se
determinan a par:r de la observación de cuerpos celestes naturales,
par:cularmente estrellas fijas. Por gravimetría se en:ende la medición de la
gravedad (intensidad de gravedad g) que es la magnitud del vector de
aceleración por gravedad g (Torge, 1989). Mediciones horizontales,
distancias, ángulos cenitales y diferencias de altura niveladas, y sirven para la
determinación de puntos de superficie.
La geodesia satelital, finalmente, es la base de la observación de cuerpos
celestes ar:ficiales. Las direcciones, rangos y rangos se determinan entre las
ubicaciones de la superficie terrestre y los satélites o entre satélites. Algunas
mediciones, por ejemplo aceleraciones, se toman dentro de los mismos
satélites.
Geodesia Satelital
12
1.2 Clasificación y conceptos básicos de
la geodesia satelital 3/5
Por gravimetría se en:ende la medición de la gravedad (intensidad de gravedad g)
que es la magnitud del vector de aceleración por gravedad g (Torge, 1989).
Mediciones horizontales, distancias, ángulos cenitales y diferencias de altura
niveladas, y sirven para la determinación de puntos de superficie. La geodesia
satelital, finalmente, es la base de la observación de cuerpos celestes ar:ficiales.
Las direcciones, rangos y rangos se determinan entre las ubicaciones de la
superficie terrestre y los satélites o entre satélites. Algunas mediciones, por
ejemplo aceleraciones, se toman dentro de los mismos satélites.
Los resultados de las observaciones geodésico-astronómicas o gravimétricas se
u:lizan en el campo de la Geodesia Astronómica y Física para la determinación de
la figura y el campo gravitatorio de la Tierra (Torge, 2001). En alemán, este
dominio clásico se llama Erdmessung (Torge, 2003) y corresponde al concepto de
Geodesia Global en el lenguaje inglés. Los principales problemas son la
determinación de un elipsoide medio de la Tierra y un geoide preciso (ver
Elipsoide, Geoide y Datum Geodésico).
Geodesia Satelital
13
1.2 Clasificación y conceptos básicos de
la geodesia satelital 4/5
La determinación de coordenadas en: sistemas de coordenadas elipsoidales o
tridimensionales, principalmente mediciones geodésicas terrestres, se trata dentro del
campo de la Geodesia MatemáGca. Las expresiones alterna:vas para este dominio son
geodesia geométrica o, en alemán “Landesvermessung” (Geodesia), p. Grobmmann (1970).
La clasificación por separado de las técnicas de observación y cálculo, tal como se
desarrollaron en los campos clásicos de la enseñanza y la prác:ca geodésicas, no ha
ocurrido en la misma medida en la geodesia por satélite. En este caso, la observación, el
cálculo y el análisis suelen tratarse juntos. En lo que respecta a los problemas mundiales, la
geodesia por satélite contribuye a la geodesia global, por ejemplo, al establecimiento de un
marco de referencia mundial. En los problemas regionales y locales, la geodesia satelital
forma parte de la supervivencia y la geoinformá:ca.
De forma conservadora, los campos de la geodesia matemá:ca y la astronomía geodésica
proporcionan importantes fundamentos en la geodesia por satélite con respecto a los
sistemas de referencia. Lo mismo es cierto para el campo de la geodesia astronómica y
\sica, que proporciona información sobre el campo de gravedad de la Tierra. Debido a estas
estrechas interacciones, una separación Sharp de los diferentes campos en la geodesia se
hace más di\cil, y ya no es significa:va.
Geodesia Satelital
14
1.2 Clasificación y conceptos básicos de
la geodesia satelital 5/5
Una consideración combinada de todos los observables geodésicos en un concepto
unificado se desarrolló bastante temprano dentro del campo de la Geodesia Integrada,
p. Hein (1983). Encuentra una realización moderna en el establecimiento de
observatorios geodésicos - geodinámicos integrados (ver Combinación de Técnicas
Espaciales Geodésicas, Rummel et al., 2000).
El término Geodesia Satelital es más restric:vo que la denominación francesa “Geodesie
Spa:ale” o la expresión más general “Técnicas Espaciales Geodésicas”. Este úl:mo
término incluye la observación geodésica de la Luna, así como, el uso de planetas y
objetos fuera del sistema solar, por ejemplo, en la interferometría de radio.
Ocasionalmente se u:liza el término Geodesia Global, donde global significa tanto
técnicas de medición global como aplicaciones globales.
En este libro se emplea el término geodesia satelital, porque es de uso común, y porque
los satélites ar:ficiales cerca de la Tierra se u:lizan casi exclusivamente para las
observaciones que son de interés en la geodesia aplicada. Cuando sea necesario, se
tratan otras técnicas espaciales.
Geodesia Satelital
15
1.2 Clasificación
La Clasificación de la Geodesia depende de los autores, por ejemplo:
TopograLa . Técnicas Modernas. MG. Jorge Mendoza Dueñas, Edición 2017
•
•
•
•
Geodesia Geométrica: Los datos de observación están compuestos por
ángulos y distancias referidos a un elipsoide de referencia, plasmándose
en coordenadas, los cuales pueden expresarse en diferentes formas.
Geodesia Dinámica: Está basada en las medidas del campo gravitatorio de
la Tierra y sus variaciones, mareas (oceánicas y terrestres) y su relación
con el concepto de la:tud.
Astronomía Geodésica: las coordenadas de puntos sobre la superficie
terrestre y mediciones realizadas, provienen de observaciones
astronómicas.
Geodesia Satelital: Las coordenadas de puntos sobre la superficie
terrestre y mediciones realizadas, provienen gracias a observaciones
satelitales ar:ficiales.
Geodesia Satelital
16
1.2.1 Clasificación
TopograLa, Geodesia y CartograLa (geomáGca I), Ing. Walter Zuñiga Díaz, 2010
•
•
•
•
•
•
Geodesia MatemáGca: se encarga en determinar con precisión las posiciones geográficas de un
gran número de puntos repar:dos en la superficie terrestre, denominados puntos geodésicos.
Dicha determinación se efectúa por medio de triangulaciones geodésicas, en las cuales los
puntos geodésicos son los vér:ces de los triángulos.
Geodesia de Posición: que ob:ene mediante procedimientos astronómicos, las coordenadas
geográficas de los puntos geodésicos referidos a la verdadera superficie de la Tierra.
Geodesia Dinámica: Es la parte de la Geodesia encargada de determinar el valor de la
aceleración de la gravedad en numerosos puntos de la superficie terrestre, para así cons:tuir
una red gravimétrica mundial.
Geodesia Superior: Estudia y generaliza los resultados obtenidos de las anteriores ramas, y con
las medidas de arcos de meridiano nos dan la determinación de la superficie del geoide, estudios
de la desviación de la ver:cal, anomalías de la gravedad, compensación isostá:ca, etc., llega
incluso a plantear hipótesis sobre la forma y dimensiones de la Tierra, cons:tución interna de la
misma y mayor o menor rigidez de la corteza terrestre.
Geodesia Esferoidal: Es una de las principales partes de la Geodesia Superior. Esta materia trata
de los estudios de la superficie geométrica del elipsoide terrestre, de los métodos que se
emplean para resolver problemas geodésicos sobre las citadas superficies y la representación de
ésta sobre la esfera y sobre el plano.
Geodesia Satelital: U:liza los datos proporcionados por la constelación de los satélites puestos
en órbita para efectuar mediciones para los sistemas de posicionamiento global (GPS)
Geodesia Satelital
17
1.2.1Clasificación
Muchos autores describen la clasificación de la Geodesia como la que se describe a con:nuación,
pero no podemos dejar de lado otras disciplinas que dan apoyo a la Geodesia, como lo son: la
Cartogra\a, el Catastro, la Fotogrametría, la Geodesia Geométrica, entre otras
1. GEODESIA SUPERIOR.
2. GEODESIA MATEMÁTICA.
3. ASTRONOMIA GEODÉSICA
4. GEODESIA GEOMÉTRICA
5. GEODESIA FISICA
6. GEODESIA TRIDIMENSIONAL.
7. GEODESIA DINAMICA
8. GEODESIA ESPACIAL
9. GEODESIA COMÚN O TOPOGRÁFICA
10. CÁLCULO DE COMPENSACIÓN Y TEORÍA DE ERRORES
Geodesia Satelital
18
1.2.1Clasificación
1. GEODESIA SUPERIOR.
Es la parte o sistema de conocimientos de la Geodesia que permite dar solución a los siguientes
problemas:
• Determinación de la figura matemá:ca de la :erra (Elipsoide). Las determinaciones de
magnitudes geodésicas sobre la superficie del elipsoide (coordenadas y acimut).
• Definir Sistemas de coordenadas y las relaciones entre ellos.
• Realizar el procesamiento de las mediciones realizadas sobre la superficie \sica de la Tierra.
• Construir y perfeccionar constantemente las redes geodésicas.
• Determinar la figura \sica de la Tierra (Geoide).
• Evaluación de los procesos geodinámicas.
Geodesia Satelital
19
1.2.1Clasificación
2. GEODESIA MATEMÁTICA.
La geodesia matemá:ca, trata de determinar y representar la figura de la Tierra en términos
globales por medio de cálculos usando como figura de aproximación matemáGca el elipsoide. En la
Geodesia matemá:ca se formulan los métodos y las técnicas para la construcción y el cálculo de las
coordenadas de redes de puntos de referencia para el levantamiento de un país o de una región
Geodesia Satelital
20
1.2.1 Clasificación
3.ASTRONOMIA GEODÉSICA
Tiene por objeto la determinación de las coordenadas geográficas astronómicas, LaGtud
y Longitud, de puntos de la superficie terrestre y de acimutes astronómicos A de
direcciones en la Tierra. Estas determinaciones se realizan por métodos astronómicos de
observación de estrellas en posiciones convenientes, u:lizándose principalmente
métodos de cálculo de
trigonometría esférica y de
álgebra matricial junto al ajuste
de observaciones por mínimos
cuadrados. Las principales
aplicaciones geodésicas de los
resultados obtenidos son la
determinación de la figura de la
Tierra (geoide) y la
compensación astrogeodésica de
redes.
Los métodos de pasos meridianos
y de alturas iguales son los más
comúnmente empleados.
Geodesia Satelital
21
1.2.1 Clasificación
4. GEODESIA GEOMÉTRICA
La determinación combinada de los parámetros del campo de gravedad y las coordenadas
geocéntricas dentro del dominio de la geodesia satelital dinámica conduce al problema general
de determinación de parámetros o esGmación de parámetros. Esto puede incluir la
determinación de los parámetros de rotación de la Tierra (rotación de la Tierra, movimiento
polar), así como, otros fenómenos geodinámicos. El método dinámico de la geodesia satelital
también se caracteriza como el método indirecto, porque los parámetros requeridos se
determinan implícitamente a par:r del comportamiento orbital de los satélites.
Geodesia Satelital
22
1.2.1 Clasificación
5. GEODESIA FISICA
Está consGtuida por aquellas teorías y métodos encaminados a la determinación del
geoide, con datos dinámicos o gravimétricos, mediante un análisis del problema de
contorno de la teoría del potencial. Describe los modelos terrestres de comparación
para el establecimiento de la figura de la Tierra, calcula y uGliza fundamentalmente
las anomalías gravimétricas.
Geodesia Satelital
23
1.2.1 Clasificación
6. GEODESIA TRIDIMENSIONAL.
Trata el problema de la forma y dimensiones de la Tierra en un sistema de referencia
tridimensional, aquí el elipsoide sólo será una superficie auxiliar de la que puede
prescindirse. Su evolución actual se dirige al estudio de cues:ones de holonomía con
sistemas de referencia móviles.
Geodesia Satelital
24
1.2.1 Clasificación
7. GEODESIA DINAMICA
Es aquella rama de la Geodesia que basada
en la teoría del potencial, trata de las
medidas de la gravedad, del estudio del
campo exterior y de la obtención de la
forma de la Tierra; sus datos
fundamentales son las medidas de la
gravedad efectuadas generalmente en
superficie, y las perturbaciones observadas
en el movimiento de un satélite ar:ficial.
Está relacionada con la Geodesia
geométrica, con la geo\sica, con la
astronomía y con la mecánica celeste. Suele
subdividirse en gravimetría, teoría del
campo y consecuencias. No obstante esta
división, hoy día los métodos globales de la
Geodesia actúan en conjunto con datos
geométricos y dinámicos a fin de alcanzar
sus obje:vos de forma conjunta en la
llamada geodesia integrada
Geodesia Satelital
25
1.2.1 Clasificación
8. GEODESIA ESPACIAL
Esta nueva rama de la Geodesia trata
principalmente con satélites ar:ficiales
cuya observación resulta más cómoda y
precisa que la tradicional. Aplica
técnicas tridimensionales y resuelve
todos los problemas de la Geodesia
tanto geométricos como dinámicos. En
los cálculos emplea frecuentemente
técnicas de colocación por mínimos
cuadrados. Donde incluiremos también
en la Geodesia espacial los métodos
propios de la VLBI.
FUENTE: hpp://es.ingenieriatopografica.wikia.com/wiki/DIVISIONES_DE_LA_GEODESIA
Geodesia Satelital
26
1.2.1 Clasificación
9. GEODESIA COMÚN O TOPOGRÁFICA (GEODESIA INFERIOR)
• Estudia el conjunto de principios y procedimientos que :enen por objeto la
representación gráfica de una parte de la superficie terrestre, con sus formas y
detalles, tanto naturales como ar:ficiales.
GEODESIA
TOPOGRAFÍA
SE APOYA EN LA
Geodesia Satelital
27
1.2.1 Clasificación
10. CÁLCULO DE COMPENSACIÓN Y
TEORÍA DE ERRORES
Estudio de todos los errores a los que están
some:das las mediciones que se realizan en el
Campo de la Geodesia, esto con el propósito
de ajustarlos.
Geodesia Satelital
28
OTRA CLASIFICACIÓN
1. GEODESIA TEÓRICA
La observación y descripción del campo de gravedad y su variación temporal, actualmente,
es considerada el problema de mayor interés en la Geodesia teórica.
La dirección de la fuerza de gravedad en un punto, producido por la rotación de la Tierra y
por la masa terrestre, como también de la masa del Sol, de la Luna y de los otros planetas,
y el mismo como la dirección de la ver:cal (o de la plomada) en algún punto.
La dirección del campo de gravedad y la dirección ver:cal no son idén:cas. Las superficies
perpendiculares a estas direcciones son superficies equipotenciales. Una de estas
superficies equipotenciales (la Geoide) es aquella superficie que más se aproxima al nivel
medio del mar.
El problema de la determinación de la figura terrestre es resuelto para un determinado
momento si es conocido el campo de gravedad dentro de un sistema espacial de
coordenadas. Este campo de gravedad también sufre alteraciones causadas por la rotación
de la Tierra y también por los movimientos de los planetas (mareas). Conforme el ritmo de
las mareas marí:mas, también la corteza terrestre, a causa de las mismas fuerzas, sufre
deformaciones elás:cas: las mareas terrestres. Para una determinación del geoide, libre de
hipótesis, se necesita en primer lugar de mediciones gravimétricas - además de mediciones
astronómicas, triangulaciones, nivelaciones geométricas y trigonométricas y observaciones
por satélite (Geodesia por Satélite)
Figura. Anomalías en el campo gravitatorio de
la Tierra.
2. GEODESIA FÍSICA
La mayor parte de las mediciones geodésicas se aplica en la superficie terrestre, donde,
para fines de determinaciones planimétrica, son marcados puntos de una red de
triangulación. Con los métodos exactos de la Geodesia matemá:ca se proyectan estos
puntos en una superficie geométrica, que matemá:camente debe ser bien definida.
Para este fin se suele definir un Elipsoide de rotación o Elipsoide de referencia. (Ver
Figura)
Existe una serie de elipsoides que antes fueron definidos para las necesidades de apenas
un país, después para los con:nentes, hoy para el Globo entero, en primer lugar definidos
en proyectos geodésicos internacionales y la aplicación de los métodos de la Geodesia de
satélites.
Además del sistema de referencia
planimétrica (red de triangulación y el
elipsoide de rotación), existe un segundo
sistema de referencia: el sistema de
superficies equipotenciales y líneas ver:cales
para las mediciones al:métricas.
Según la definición geodésica, la altura de un
punto es la longitud de la línea de las
ver:cales (curva) entre un punto P y el
geoide (altura geodésica).
También se puede describir la altura del punto P como la diferencia de potencial entre el
geoide y aquella superficie equipotencial que con:ene el punto P. Esta altura es llamada
de Cota Geopotencial. Las cotas geopotenciales :enen la ventaja, comparándolas con
alturas métricas u ortométricas, de poder ser determinadas con alta precisión sin
conocimientos de la forma del geoide. (Nivelación) Por esta razón, en los proyectos de
nivelación de grandes áreas, como con:nentes, se suelen usar cotas geopotenciales,
como en el caso de la compensación de la 'Red única de Al:metría de Europa'. En el caso
de tener una can:dad suficiente, tanto de puntos planimétricos, como también
al:métricos, se puede determinar el geoide local de aquella área.
El área de la Geodesia que trata de la definición local o global de la figura terrestre
generalmente es llamada de Geodesia Física, para aquella área, o para sus sub-áreas.
También se usan términos como Geodesia dinámica, Geodesia por satélite, Gravimetría,
Geodesia astronómica, Geodesia clásica, Geodesia tri-dimensional.
Figura. Esquema
mostrando:
(1) la superficie de los
océanos, (2) el elipsoide,
(3) la dirección de la
plomada, (4) los
con:nentes, (5) el geoide.
3. GEODESIA CARTOGRÁFICA
En la Geodesia matemá:ca se formulan los métodos y las técnicas para la construcción y
el cálculo de las coordenadas de redes de puntos de referencia para el levantamiento de
un país o de una región. Estas redes pueden ser referenciadas para nuevas redes de
orden inferior y para mediciones topográficas y registrales.
Para los cálculos planimétricos modernos se usan tres diferentes sistemas de
coordenadas, definidos como 'proyecciones conformes' de la red geográfica de
coordenadas: la proyección estereográfica (para áreas de pequeña extensión), la
proyección 'Lambert' (para países con grandes extensiones en la dirección oeste-este) y
la proyección Mercator transversal o proyección transversal de Gauss (p.e. UTM), para
áreas con mayores extensiones meridionales.
Según la resolución de la IUGG (Roma, 1954) cada país puede definir su propio sistema
de referencia al:métrica. Estos sistemas también son llamados 'sistemas al:métricos de
uso'. Tales sistemas de uso son, p.e., las alturas ortométricas, que son la longitud de la
línea ver:cal entre un punto P y el punto P', que es la intersección de aquella línea de las
ver:cales con el geoide. Se determina tal altura como la cota Geopotencial c a través de
la relación, donde es la media de las aceleraciones de gravedad acompañando la línea
PP', un valor que no es conmensurable directamente, y para determinarlo se necesita de
más informaciones sobre la variación de las masas en el interior de la Tierra.
Las alturas ortométricas son exactamente definidas, su valor numérico se determina
apenas aproximadamente. Para esa aproximación se usa también la relación (fórmula)
donde la constante es la media de las aceleraciones de gravedad.
Figura. Diferentes Proyecciones.
1.2.1 Clasificación
De todos los :pos de campos de la geodesia, se resume
en el siguiente diagrama su interacción entre sí.
Principales relaciones entre los campos geodésicos de la enseñanza y la invesGgación
Geodesia Satelital
34
1.2.2 Consideraciones Básicas 1/6
La importancia de los satélites ar:ficiales en la geodesia se hace
evidente a par:r de las siguientes consideraciones básicas.
Método geométrico; El satélite es
Un obje:vo alto
Los satélites se pueden uGlizar como objeGvos de
alta órbita, que son visibles a grandes distancias.
Siguiendo los conceptos clásicos de las redes
trigonométricas ligadas a la Tierra, los satélites
pueden ser considerados como puntos de control
"fijos" dentro de redes tridimensionales a gran
escala o globales. Si los satélites se observan
simultáneamente desde diferentes estaciones
terrestres, no :ene importancia que las órbitas de
los satélites ar:ficiales estén gobernadas por
fuerzas gravitatorias. Sólo se u:liza la propiedad de
que son blancos en al:tudes elevadas. Esta
consideración puramente geométrica conduce al
método geométrico de la geodesia satelital. El
concepto se ilustra en la figura.
Geodesia Satelital
35
1.2.2 Consideraciones Básicas 2/6
Se ha realizado en su forma más pura a través de la Red Mundial BC4 (Ver Resultados de
los Métodos Óp:cos para la determinación de Direcciones). Comparado con las técnicas
clásicas, la principal ventaja de los métodos de satélite es que pueden puentear grandes
distancias y así establecer Geodésicos entre con:nentes e islas. Todas las estaciones
terrestres pertenecientes a la red pueden determinarse dentro de un marco de
referencia de coordenadas globales uniforme, tridimensional. Forman un poliedro que
circunda la Tierra.
Ya en 1878 H. Bruns propuso tal concepto, más tarde conocido como la jaula de Bruns.
Bruns consideraba que este obje:vo era uno de los problemas básicos de la geodesia
cienefica. La idea, sin embargo, no pudo ser realizada con métodos clásicos, y fue
olvidada. El método geométrico de la geodesia satelital es también llamado el método
directo, porque la posición par:cular del satélite entra directamente en la solución.
Los satélites pueden ser considerados como una sonda o un sensor en el campo
gravitatorio de la Tierra. El movimiento orbital, y la variación de los parámetros que
describen la órbita, se observan para sacar conclusiones sobre las fuerzas que actúan. De
par:cular interés es la relación entre las caracterís:cas del campo de gravedad terrestre
y las desviaciones resultantes de la órbita del satélite real de un movimiento Kepleriano
no perturbado [3.1.1]. El valor esencial del satélite es que es un cuerpo en movimiento
dentro del campo de gravedad de la Tierra.
Geodesia Satelital
36
1.2.2 Consideraciones Básicas 3/6
Esta visión conduce al método dinámico de la geodesia satelital. La principal ventaja de las
observaciones por satélite, en comparación con las técnicas clásicas, es que los resultados
se refieren al planeta Tierra en su conjunto, y que :enen un carácter global por
naturaleza. Las lagunas de datos desempeñan un papel secundario. Entre los primeros
resultados espectaculares se halló un valor razonablemente exacto del aplanamiento de
la Tierra y la prueba de que la figura de la Tierra no es simétrica con respecto al plano
ecuatorial (es decir, la forma de la pera de la Tierra).
En la dinámica de satélites geodésicos se consideran arcos orbitales de diferentes
longitudes. Cuando se usan longitudes de arco entre algunos minutos y hasta varias
revoluciones alrededor de la Tierra, hablamos de técnicas de arco corto; El término para
el uso de arcos más largos, hasta alrededor de 30 días y más, es las técnicas de arco largo.
Las órbitas se describen en marcos de referencia geocéntricos adecuados. Por lo tanto, el
satélite puede ser considerado como el "portador de la Figura 1.3. Método orbital; El
satélite es un sensor en el campo de gravedad de la Tierra sus propias coordenadas ". Las
coordenadas geocéntricas de las estaciones terrestres de observación
Geodesia Satelital
37
1.2.2 Consideraciones Básicas 4/6
Pueden derivarse de las órbitas de satélite conocidas.
Este denominado método orbital de determinación
de coordenadas se ilustra en la Figura
Método orbital; El satélite es un
Sensor en el campo de gravedad de la Tierra
La determinación combinada de los parámetros del campo de gravedad y las
coordenadas geocéntricas dentro del dominio de la geodesia satelital dinámica conduce
al problema general de determinación de parámetros o es:mación de parámetros. Esto
puede incluir la determinación de los parámetros de rotación de la Tierra (rotación de la
Tierra, movimiento polar), así como otros fenómenos geodinámicos. El método dinámico
de la geodesia satelital también se caracteriza como el método indirecto, porque los
parámetros requeridos se determinan implícitamente a par:r del comportamiento
orbital de los satélites.
Geodesia Satelital
38
1.2.2 Consideraciones Básicas 5/6
La dis:nción geométrico-dinámica ha caracterizado, durante muchos años, el desarrollo
de la geodesia satelital. Hoy en día, la mayoría de las técnicas actuales :enen que ser
consideradas como combinaciones de ambos puntos de vista.
Una clasificación adicional de las técnicas de observación se refiere a la relación entre la
plataforma de observación y la plataforma obje:vo. Dis:nguimos los siguientes grupos:
• (1) Métodos Tierra a Espacio
• - Direcciones de las observaciones de la cámara,
• - Alcance láser de satélite (SLR),
• - Posicionamiento Doppler (TRANSIT, DORIS), y
• - Uso geodésico del Sistema de Posicionamiento Global (GPS, GLONASS, futuro GNSS).
•
Geodesia Satelital
39
1.2.2 Consideraciones Básicas 6/6
•
•
•
•
•
•
•
(2) Los métodos de espacio a la Tierra
- Al:metría radar,
- láser espacial, y
- gradiometría satelital.
(3) Espacio a los métodos del espacio
- seguimiento por satélite (SST).
Los métodos ligados a la Tierra son los más avanzados, porque el proceso de
observación está mejor bajo control. Con la excepción de la al:metría radar, los
métodos mencionados en (2) y (3) están todavía en desarrollo o en su fase inicial
de operación.
Geodesia Satelital
40
1.3 Desarrollo histórico de la
geodesia satelital
Geodesia Satelital
41
1.3 Desarrollo histórico de la geodesia satelital
•
•
•
•
•
1962 Lanzamiento de ANNA-1B, y
1962 Conexión geodésica entre Francia y Argelia (IGN).
Para el año 1964, muchos problemas geodésicos básicos habían sido abordados con éxito,
- determinación de un valor numérico preciso del aplanamiento de la Tierra
- determinación de la forma general del geoide global
- determinación de las conexiones entre los datums geodésicos más importantes (a Å} 50 m).
Con posterioridad, el desarrollo de la geodesia por satélite puede dividirse en varias fases de aproximadamente una década cada
una.
1. 1958 a alrededor de 1970. Desarrollo de métodos básicos para observaciones satelitales y para el cálculo y análisis de órbitas de
satélite. Esta fase se caracteriza por la determinación óp:co-fotográfica de direcciones con cámaras. Los principales resultados
fueron la determinación de los principales coeficientes armónicos del geopotencial y la publicación de los primeros modelos de la
Tierra, por ejemplo, los modelos estándar de la Tierra del Observatorio Astro\sico Smithsoniano (SAO SE I a SAO SE III) y Goddard
Earth Models (GEM) del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. La única red de satélite puramente geométrica y mundial se
estableció mediante observaciones con cámaras BC4 del satélite PAGEOS.
•
2. 1970 a alrededor de 1980. Fase de los proyectos cieneficos. Se desarrollaron y perfeccionaron nuevas técnicas de observación, en
par:cular el láser que abarca los satélites y la Luna, así como la al:metría satelital. El sistema TRANSIT fue u:lizado para
posicionamiento geodésico Doppler. Se llevaron a cabo determinaciones globales refinadas de geoides y coordenadas, y condujeron
a modelos terrestres mejorados (por ejemplo, GEM 10, GRIM). La mayor exac:tud de las observaciones hizo posible la medición de
fenómenos geodinámicos (rotación de la Tierra, movimiento polar, deformación de la corteza). La topogra\a Doppler se u:lizó en
todo el mundo para la instalación y mantenimiento de redes de control geodésico (por ejemplo, EDOC, DÖDOC, ADOS).
•
3. 1980 a alrededor de 1990. Fase del uso operacional de las técnicas de satélites en geodesia, geodinámica y topogra\a. Dos
aspectos en par:cular son notables. Los métodos de satélite fueron cada vez más u:lizados por la comunidad encuestadora, en
sus:tución de los métodos convencionales. Este proceso comenzó con los primeros resultados obtenidos con el Sistema de
Posicionamiento Global (GPS) de NAVSTAR y dio como resultado perspec:vas completamente nuevas en la topogra\a y la
cartogra\a. El segundo aspecto se refiere al aumento de la precisión de la observación. Un resultado fue el reemplazo casi completo
de las técnicas astrométricas clásicas para monitorear el movimiento polar y la rotación de la Tierra por métodos de satélites. Los
proyectos para la medición de la deformación crustal dieron resultados notables en todo el mundo.
Geodesia Satelital
42
1.3 Desarrollo histórico de la geodesia satelital
•
4. 1990 a alrededor de 2000. Fase de los servicios permanentes internacionales y nacionales. En par:cular, han evolucionado dos
grandes servicios internacionales. El Servicio Internacional de Rotación de la Tierra IERS, iniciado en 1987 y basado
exclusivamente en técnicas espaciales, proporciona parámetros de orientación terrestre altamente precisos con alta resolución
temporal y man:ene y refina constantemente dos marcos de referencia básicos. Estos son el Marco de Referencia Celes:al
Internacional ICRF, basado en las observaciones de radio interferométricas, y el Marco de Referencia Terrestre Internacional ITRF,
basado en diferentes técnicas espaciales.
•
El servicio internacional IGS del GPS comenzó en 1994 y evolucionó para ser la fuente principal para las órbitas exactas del GPS así
como para las coordenadas y las observaciones de un sistema global de más de 300 estaciones de referencia que observaban
permanentemente. A nivel nacional, se han establecido servicios permanentes para datos de referencia GPS y siguen creciendo,
p. CORS en los Estados Unidos, CACS en Canadá y SAPOS en Alemania.
•
5. 2000 en adelante. Después de más de 40 años de geodesia por satélite el desarrollo de las técnicas espaciales geodésicas
con:núa. Tenemos mejoras significa:vas en la precisión, así como en la resolución temporal y espacial. Los nuevos campos de
aplicación evolucionan en la ciencia y la prác:ca. Para la primera década del nuevo milenio el desarrollo se centrará en varios
aspectos:
–
–
–
–
–
–
–
lanzamiento de sondas de campo de gravedad dedicadas como CHAMP, GRACE y GOCE para la determinación de un campo
de gravedad terrestre de alta resolución,
establecimiento de un Sistema Global de Navegación por Satélite de próxima generación GNSS
Con GPS Block IIR y Block IIF satélites y nuevos componentes como el europeo Galileo,
refinamiento en la observación de la Tierra, p. Con sensores de radar de alta resolución como interferometría SAR en varias
plataformas,
establecimiento adicional de arrays permanentes para la prevención de desastres y
Monitoreando y
unificación de las diferentes técnicas espaciales geodésicas en sistemas de vigilancia geodésica geodinámica integrados
móviles.
Geodesia Satelital
43
1963
Antes que
exista el GPS,
Google Map,
Waze, era
mejor llamar a
los especialistas
para que
indiquen cual
es la mejor
ruta.
1.4 Aplicaciones de la geodesia satelital
Geodesia Satelital
45
1.4 Aplicaciones de la geodesia satelital
Las aplicaciones de los métodos de los satélites geodésicos están determinadas por la exac:tud alcanzable, el esfuerzo
necesario y el gasto de equipo y computación, y finalmente por el :empo de observación y la facilidad de manejo del
equipo. Un extenso catálogo de aplicaciones puede ser compilado dado el desarrollo actual en métodos precisos con
capacidades en :empo real o casi en :empo real. Podemos dar un breve resumen de las posibles aplicaciones:
•
•
•
Geodesia Global
– forma general de la figura de la Tierra y el campo de gravedad,
– dimensiones de un elipsoide medio terrestre,
– establecimiento de un marco de referencia terrestre global,
– el geoide detallado como superficie de referencia en :erra y en el mar,
– conexión entre los diferentes datums geodésicos existentes, y
– conexión de datums nacionales con un dato geodésico global.
Control geodésico
– establecimiento de un control geodésico para las redes nacionales,
– instalación de redes tridimensionales homogéneas,
– análisis y mejora de las redes terrestres existentes,
– establecimiento de conexiones geodésicas entre islas o con el con:nente,
– densificación de las redes existentes hasta distancias cortas entre las intersecciones.
Geodinámica
– puntos de control para el movimiento de la corteza,
– - Arreglos permanentes para control 3D en áreas ac:vas,
– movimiento polar, rotación de la Tierra, y
– sólidas mareas terrestres.
Geodesia Satelital
46
1.4 Aplicaciones de la geodesia satelital
•
•
•
•
•
Geodesia aplicada y plana
– levantamiento topográfico detallado (registro de la :erra, levantamiento urbano y rural, sistemas de
información geográfica (SIG), urbanismo, demarcación de límites, etc.)
– instalación de redes especiales y control de tareas de ingeniería,
– Puntos de control terrestre en fotogrametría y teledetección,
– posición y orientación de sensores aerotransportados como cámaras fotogramétricas,
– información sobre el control y la posición a diferentes niveles de precisión en la silvicultura, la
agricultura, la arqueología, la cartogra\a de expedición, etc.
Navegación y geodesia marina
– navegación precisa de vehículos terrestres, marí:mos y aéreos,
– posicionamiento preciso para cartogra\a marina, exploración, hidrogra\a, oceanogra\a,
Geología marina y geo\sica,
– conexión y control de mareógrafos (unificación de sistemas de altura).
Campos relacionados
– determinación de la posición y de la velocidad para las observaciones geo\sicas (gravimétricas,
magné:cas, sísmicas), también en el mar y en el aire,
– determinación del movimiento del hielo en glaciología, inves:gación antár:ca, oceanogra\a,
– determinación de las órbitas de los satélites, y
– tomogra\a de la atmósfera (ionosfera, troposfera).
Con más sistemas de satélites en funcionamiento, prác:camente no hay límite para las posibles
aplicaciones. Este aspecto se discu:rá junto con las respec:vas técnicas.
Geodesia Satelital
47
1.5 Estructura y Objetivo del Curso
Geodesia Satelital
48
1.5 Estructura y Objetivo del Curso
• La geodesia satelital pertenece igualmente a las
ciencias fundamentales y aplicadas. Ambos aspectos
se tratan; Sin embargo, el principal énfasis que se
tomará en cuenta está en los métodos de
observación y en las aplicaciones.
• El curso es principalmente teórico con una prác:ca
de GPS navegador y geodésico, y :ene por finalidad
capacitar a los alumnos sobre la tecnología del GPS,
geodesia satelital, y entender los procedimientos
básicos de los cálculos de coordenadas planas.
Geodesia Satelital
49
1.5 Estructura y Objetivo del Curso
Las implicaciones de la geodesia satelital afectan casi todas
las partes de la geodesia y la topogra\a.
Teniendo en cuenta la inmensa can:dad de información
relacionada, a menudo sólo es posible explicar el principio
básico, y dar las directrices principales.
El Sistema de Posicionamiento Global GPS podría llenar
varios volúmenes de libros de texto por su cuenta. En la
medida de lo posible, las referencias se seleccionan de
literatura fácilmente accesible en el idioma español y
alguna inglés.
Geodesia Satelital
50
Información del Curso
GEODESIA SATELITAL
I. INFORMACIÓN GENERAL
•
•
CODIGO
•
SEMESTRE
•
CREDITOS
•
HORAS POR SEMANA
•
PREREQUISITOS
•
CONDICION
•
DEPARTAMENTO
•
PROFESOR
•
PROFESOR E-MAIL
: TV 561
: 2017 -II
:3
: 5 (2Teoría – 3Prác:ca)
: TV - 114
: Obligatorio
: Vialidad y Geomá:ca
: Fanny Eto Chero, Jorge Mendoza Dueñas
: dvial.fi[email protected], [email protected]
II. SUMILLA
Es un curso que describe la forma y dimensiones de la :erra, determinando un elipsoide
de referencia para poder hacer cálculos de nuestras mediciones. Relacionando los
diferentes sistemas de referencia haciendo las transformaciones de estos. Determinación
del :empo y las transmisiones de ondas en el espectro electromagné:co; principios de
orbitas de los satélites y determinación de las efemérides, para poder hacer mediciones
aprovechando los receptores GPS: navegadores y de doble frecuencia. Ubicación de
puntos sobre la superficie de la :erra para aplicaciones en obras de ingeniería como:
carreteras, puentes, control de túneles, canales, presas, etc.
III. COMPETENCIAS DEL CURSO
• Analiza la forma y dimensiones de la :erra.
• Deduce y dis:ngue los diferentes sistemas de referencia en las
mediciones topográficas y/o geodésicas.
• Resuelve y calcula las diferentes transformaciones entre los
sistemas de medición.
• Maneja y manipula los instrumentos GPS tanto navegadores como
los de doble frecuencia.
• Dis:ngue y reconoce las precisiones en las mediciones con
navegadores y equipos de doble frecuencia.
• Inves:ga y analiza los datos recolectados de los de los satélites,
para luego poder procesarlos e interpretarlos.
• Comprueba los resultados, para poderlos aplicar en diseños de
obras de ingeniería: como canales, carreteras, presas entre otras.
IV. UNIDADES DE APRENDIZAJE
•
•
•
•
•
•
Introducción. Clasificación. Obje:vos y aplicaciones de la Geodesia Satelital. Sistemas de coordenadas,
cartesianas, geodésicos, UTM. El geoide, el elipsoide, Sistemas locales: el PSAD56. Sistemas satelitales el
WGS84.
El :empo: Sideral. Dinámico. Atómico el leap secod (salto de segundo). El :empo UTC. Relojes atómicos. Semana
GPS, :empo GPS.
Propagación de las señales GPS, la atmosfera, la troposfera. Movimiento de los satélites, movimientos
Keplerianos. Perturbaciones.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Segmentos: Espacial (Satélites). Control y Usuarios (receptores GPS).
Diferentes :pos de receptores. Efemérides de los satélites. Desarrollo del Sistema. Tipos de recepciones de
satélites de una y doble frecuencia, precisiones. Métodos de medición: Está:co. Está:co rápido. Cine ma:co.
RTK. Modo diferencial. Cálculos en :empo real y pos proceso. Procesamiento en línea: El OPUS, AUSPOS, USGS,
etc. La red permanente del Ins:tuto Geográfico Nacional (IGN).
Errores y correcciones en las mediciones. Efecto ionosferico. Múl:ples Caminos. Aplicaciones: Levantamientos
catastrales. GIS. Geodinámica. Tectónica de Placas. Fotogrametría. Hidrogra\a. Ba:metría.
Otros sistemas de navegación y Posicionamiento: GLONASS. GALILEO.
PrácGcas de campo: Estas prác:cas permiten medir la capacidad de los alumnos en:
Manejo de los receptores GPS, tanto navegadores como receptores de doble frecuencia
Técnicas de medición con navegador puntos fijos y huellas
Técnicas de medición con receptores de doble frecuencia, usado el método diferencial, por el método clásico y
procesado con OPUS.
•
Elaboración de los informes informe
Cada alumno del grupo de 4; ubicará su punto con un equipo GPS de doble frecuencia y luego bajara los datos a la PC
y luego de procesarlos para obtener las coordenadas de su punto.
•
•
•
V. METODOLOGIA
En el curso se emplea un método ac:vo en el proceso enseñanza-Aprendizaje, en el
que los alumnos :enen par:cipación en todas las clases ya sea individualmente o en
grupos de trabajo. El profesor emplea la exposición y ejemplificación para
complementar la ac:vidad de los estudiantes u:lizando las ayudas audiovisuales
disponibles. La explicación en aula se complementa con trabajos de campo aplica:vos
y exposición de temas de inves:gación, etc.
FORMULA DE EVALUACIÓN: SISTEMA G
El Promedio Final PF se calcula tal como se muestra a con:nuación:
PF = EP + EF + PP
3
EP: Examen Parcial
PP: Promedio de Prác:cas
T.I Trabajo de Inves:gación
PP = 3(T.C1) + 3(T.C2) + 2(T.E1) + 2 (T.I1)
10
EF: Examen Final
T.E Avance trabajo escalonado
TC Trabajo de Campo
Calendario de Prác:cas Preliminar
Mapas Temá:cos en GIS
videos