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Sistemas de posicionamiento y navegación global mediante satélites

Enviado por iproman



  1. Objetivo
  2. Sistema Navstar-GPS
  3. Sistema Glonass
  4. Proyecto Galileo
  5. El receptor
  6. Preparación de las observaciones
  7. Métodos de posicionamiento
  8. Trabajo en tiempo real
  9. Precisión del sistema GPS
  10. Aplicaciones en minería
  11. Costes de los diferentes equipos
  12. Ventajas e inconvenientes
  13. Conclusión

1. OBJETIVO

El objetivo de este trabajo no es otro que orientar de forma básica a los usuarios de estos sistemas e invitar a los futuros usuarios a calar en su funcionamiento y posibilidades de desarrollo, abriendo el campo de la medida mediante satélites como una poderosa herramienta de trabajo, y que hoy por hoy, se está convirtiendo en el método más usado por su precisión y rapidez, siendo este el motivo por el cual no debe pasar desapercibido por ninguno de nuestros profesionales.

2. SISTEMA NAVSTAR-GPS

2.1. INTRODUCCIÓN

El sistema GPS (Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global) fue creado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD, Department of Defense) para constituir un sistema de navegación preciso con fines militares que sustituyera al antiguo sistema utilizado, que no era otro que las mediciones Doppler sobre la constelación Transit.

Para ello, aprovecharon las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la banda L en el espacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se pueda incluir la información necesaria que permita posicionar un objeto en el sistema de referencia apropiado.

2.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO

El sistema GPS funciona mediante unas señales de satélite codificadas que pueden ser procesadas en un receptor GPS permitiéndole calcular su posición, velocidad y tiempo.

Se utilizan cuatro señales para el cálculo de posiciones en tres dimensiones y ajuste de reloj del receptor.

Aunque los receptores GPS utilizan tecnología punta, los principios básicos de funcionamiento son sencillos y los podríamos resumir en los cuatro apartados siguientes.

2.2.1. Triangulación: la base del sistema

El principio básico fundamental en el funcionamiento del sistema GPS, consiste en utilizar los satélites de la constelación NAVSTAR situados en distintas órbitas en el espacio, como puntos de referencia precisa para determinar nuestra posición en la superficie de la Tierra.

Esto se consigue obteniendo una medición muy precisa de nuestra distancia hacia al menos tres satélites de la constelación, pudiéndose así realizar una "triangulación" que determine nuestra posición en el espacio.

De todas formas, si quisiéramos ser absolutamente técnicos, la trigonometría nos dice que necesitamos las distancias a cuatro satélites para situarnos sin ambigüedad. Pero en la práctica tenemos suficiente con solo tres, si rechazamos las soluciones absurdas.

2.2.2. Medición de las distancias

El sistema GPS funciona midiendo el tiempo que tarda una señal de radio en llegar hasta el receptor desde un satélite y calculando luego la distancia a partir de ese tiempo.

DISTANCIA = VELOCIDAD DE LA LUZ x TIEMPO

Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/sg en el vacío. Así, si podemos averiguar exactamente cuando recibimos esa señal de radio, podremos calcular cuanto tiempo ha empleado la señal en llegar hasta nosotros. Por lo tanto, solo nos falta multiplicar ese tiempo en segundos por la velocidad de la luz (300.000 km/sg) y el resultado será la distancia al satélite.

La clave de la medición del tiempo de transmisión de la señal de radio, consiste en averiguar exactamente cuando partió la señal del satélite. Para lograrlo se sincronizan los relojes de los satélites y de los receptores de manera que generen la misma señal exactamente a la misma hora. Por tanto, todo lo que hay que hacer es recibir la señal desde un satélite determinado y compararla con la señal generada en el receptor para calcular el desfase. La diferencia de fase será igual al tiempo que ha empleado la señal en llegar hasta el receptor.

La señal generada tanto en los satélites como en los receptores consiste en conjuntos de códigos digitales complejos. Estos códigos se han hecho complicados a propósito, de forma que se les pueda comparar fácilmente sin ambigüedad. De todas formas, los códigos son tan complicados que su aspecto es el de una larga serie de impulsos aleatorios.

Estos impulsos no son realmente aleatorios, sino que se trata de secuencias "pseudoaleatorias" cuidadosamente elegidas que en verdad se repiten cada milisegundo. Por lo que se conocen con el nombre de código "pseudoaleatorio" (PRN, Pseudo Random Noise).

2.2.3. Obtención de un perfecto sincronismo

Puesto que sabemos que las señales de radio transmitidas por los satélites GPS viajan a la velocidad de la luz, aproximadamente 300.000 km/sg. Un error de sincronismo entre el reloj de un satélite y el reloj de nuestro receptor de tan solo 1/100 de segundo, provocaría una desviación en la medición de la distancia de 3.000 Km.

La trigonometría nos dice que si tres mediciones perfectas sitúan un punto en el espacio tridimensional, entonces cuatro mediciones imperfectas pueden eliminar cualquier desviación de tiempo (siempre que la desviación sea consistente).

En el caso general de posicionamiento en tres dimensiones, necesitamos hacer como mínimo cuatro mediciones de distancia, para eliminar cualquier error producido por falta de sincronismo entre relojes. Por lo tanto, será imposible conseguir un posicionamiento verdaderamente preciso, si no se dispone de por lo menos cuatro satélites sobre el horizonte circundante.

2.2.4. Conocimiento de la posición de los satélites

Los satélites GPS no transmiten únicamente un "mensaje de tiempo", sino que también transmiten un "mensaje de datos" que contiene información sobre su órbita exacta y la salud del sistema. Un buen receptor GPS, utiliza esta información junto con la información de su almanaque interno, para definir con precisión la posición exacta de cada uno de los satélites.

2.3. FUENTES DE ERROR

Al igual que cualquier observación de topografía clásica, una observación GPS está sometida a varias fuentes de error que se pueden minimizar o eliminar según los equipos y metodología de observación que utilicemos. Son diversos los errores que afectan a las mediciones de las distancias y por consiguiente al cálculo de la posición del receptor. Estos errores son los siguientes:

  • Error ionosférico.
  • Error troposférico.
  • Errores inherentes al satélite.

-Desvío de relojes atómicos.

-Efemérides.

  • Errores en la propagación de la señal.

-Perdida de ciclos.

-Efecto multipath (Multisenda).

  • Errores relacionados con el receptor.

-Desvío de relojes.

-Puesta en estación.

-Manipulación de los equipos.

-Variación del centro radioeléctrico de la antena.

2.5. DILUCIÓN DE LA PRECISIÓN Y VISIBILIDAD

La geometría de los satélites visibles es un factor importante a la hora de conseguir una buena precisión en el posicionamiento de un punto. Dicha geometría cambia con el tiempo como consecuencia del movimiento orbital de los satélites en el espacio (puesto que no son geoestacionarios). El factor que mide la bondad de esta geometría es el denominado factor de dilución de la precisión (DOP, Dilution Of Precision).

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Para evitar la oclusión de las señales, la DOP se calcula utilizando los satélites que realmente son visibles.

Los efectos combinados de la dilución de la precisión en posición y tiempo se denominan GDOP (Geometric Dilution Of Precision), dilución de la precisión geométrica.

2.6. GPS DIFERENCIAL (DGPS)

El GPS Diferencial consigue eliminar la mayoría de los errores naturales y causados por el usuario que se infiltran en las mediciones normales con el GPS. Estos errores son pequeños, pero para conseguir el nivel de precisión requerido por algunos trabajos de posicionamiento es necesario minimizar todos los errores por pequeños que sean.

Para realizar esta tarea es necesario tener dos receptores operando simultáneamente. El receptor de "referencia" permanece en su estación y supervisa continuamente los errores, y después transmite o registra las correcciones de esos errores con el fin de que el segundo receptor (receptor itinerante que realiza el trabajo de posicionamiento) pueda aplicar dichas correcciones a las mediciones que esta realizando, bien sea conforme las realiza en tiempo real, o posteriormente.

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Disponiendo de un receptor de referencia en un lugar fijo se puede afinar la precisión de un receptor itinerante o, igualmente, una flota completa de receptores itinerantes.

El GPS autónomo se ve afectado por una serie de errores acumulativos, que mediante el uso del DGPS son minimizados e incluso eliminados totalmente.

MAGNITUD TÍPICA DE LOS ERRORES (m)

Precisión por satélite

GPS standard

GPS Diferencial

Relojes de los satélites

1,5

0

Errores de órbitas

2,5

0

Ionosfera

5,0

0,4

Troposfera

0,5

0,2

Ruido del receptor

0,3

0,3

Multisenda (Multipath)

0,6

0,6

S/A

30

0

PRECISIÓN TÍPICA DE POSICIÓN (m)

Horizontal

50

1,3

Vertical

78

2

3-D

93

2,8

2.6.1. Principio de funcionamiento del DGPS

Este receptor estacionario es la clave de la precisión del DGPS, puesto que reúne todas las mediciones de los satélites sobre el horizonte en una sólida referencia local.

El receptor de referencia situado en una posición fija determinada con gran exactitud (estación de referencia), recibe las mismas señales GPS que el receptor itinerante, pero en vez de trabajar como un receptor GPS normal aborda los cálculos en sentido inverso. En vez de usar las señales de tiempo para calcular su posición, emplea su posición para calcular el tiempo.

Puesto que el receptor de referencia conoce de antemano los parámetros orbitales, donde se supone que los satélites se han de localizar en el espacio y conoce exactamente las coordenadas de la estación de referencia, puede calcular la distancia teórica entre la estación de referencia y cada uno de los satélites sobre el horizonte. Entonces, dividiendo esa distancia teórica por la velocidad de la luz en el vacío averigua el tiempo, es decir, cuanto debería haber tardado la señal en llegar hasta él. Después compara ese tiempo teórico con el tiempo que realmente ha tardado. Cualquier diferencia existente corresponde al error o retraso de la señal del satélite.

Una vez calculado el error en la señal de cada satélite sobre el horizonte, los receptores de referencia tienen que facilitar esta información a todos los receptores itinerantes de su zona de influencia, con el fin de que la utilicen para corregir sus mediciones. Puesto que el receptor de referencia no tiene forma de saber cuales de los satélites disponibles sobre el horizonte, están siento utilizados en cada momento por el receptor itinerante para calcular su posición, debe analizar las señales de todos los satélites visibles y calcular sus errores instantáneos. Después codificará esta información en un formato estándar y la transmitirá simultáneamente a todos los receptores itinerantes.

Los receptores itinerantes reciben la lista completa de factores de corrección y aplican las correcciones pertinentes a las señales de los satélites que, en particular, están utilizando.

2.7. SISTEMA DE REFERENCIA WGS-84

Las coordenadas, tanto de los satélites como de los usuarios que se posicionan con el sistema GPS, están referidas al sistema de referencia WGS-84 (World Geodetic System 1984 o Sistema Geodésico Mundial de 1984). Estas coordenadas pueden ser cartesianas en el espacio respecto al centro de masas de la Tierra (X, Y, Z) o geodésicas (j , , h).

2.8. SISTEMA RASANT

RASANT es un sistema de radiodifusión de correcciones diferenciales calculadas por el IGN en estaciones de referencia equipadas con receptores GPS. Las correcciones están basadas en el formato estándar RTCM y se envían a través del sistema RDS que incorpora la señal de Radio-2 Clásica FM (RNE2). Las frecuencias en las que puede sintonizarse RNE2 dependerán del centro emisor más cercano.

3. SISTEMA GLONASS

3.1. INTRODUCCIÓN

El sistema NAVSTAR-GPS no es el único sistema de posicionamiento y navegación global mediante satélites existente en estos momentos en el mundo (aunque si el más conocido en el ámbito internacional). El sistema ruso GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System o Sistema Global de Navegación por Satélite) esta también operativo oficialmente desde Septiembre de 1993.

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El sistema GLONASS es un sistema similar al sistema NAVSTAR-GPS en muchos aspectos, pero con importantes diferencias. El sistema GLONASS está administrado por las Fuerzas Espaciales Rusas (RSF, Russian Space Forces) para el Gobierno de la Federación Rusa y tiene importantes aplicaciones civiles además de las militares.

3.2. ESTADO DEL SISTEMA GLONASS

Desde que la constelación GLONASS fue completada en 1996 solo durante 40 días estuvieron disponibles los 24 satélites que la integran. Actualmente (NAGU del 26-12-2002) solo hay 7 satélites activos, mas 4 de reserva, de los 79 que han sido lanzados hasta la fecha. Además el sistema acusa serios problemas con la calidad de las señales transmitidas, se han observado errores de medida de varios kilómetros.

Considerando los problemas económicos de la Federación Rusa, cabe la posibilidad de que la constelación no se mantenga y deje de estar operativa en un futuro no muy lejano.

3.3. SISTEMA DE REFERENCIA PZ-90

Las efemérides del sistema GLONASS están referidas al Datum Geodésico PZ-90 (Parametry Zemli-1990, Parámetros de la Tierra 1990) o PE-90 (Parameters Earth-1990). Este sistema reemplazó al SGS-85 (Soviet Geodetic System-1985), usado por el sistema GLONASS hasta 1993.

El sistema PZ-90 es un sistema de referencia terrestre, donde las coordenadas están definidas de la misma forma que en el Marco Internacional de Referencia Terrestre (ITRF, International Terrestrial Reference Frame).

4. PROYECTO GALILEO

4.1. INTRODUCCIÓN

El proyecto GALILEO surge como la iniciativa europea para desarrollar un sistema de radionavegación mediante satélites dedicado inicialmente y básicamente a satisfacer las necesidades de la comunidad civil mundial. El componente principal del sistema consiste en una constelación de satélites que ofrezca cobertura global. Dirigido por la Unión Europea EU (European Union) y por la Agencia Europea del Espacio ESA (European Space Agency), la fase de definición del sistema comenzó en 1999, con una fase de despliegue prevista para el 2005 y plena capacidad operativa en el 2008.

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4.2. OBJETIVO DEL PROYECTO

Las líneas principales de desarrollo del proyecto GALILEO son las siguientes:

  • Será independiente de los sistemas GPS y GLONASS pero complementario e interoperable con ellos.
  • Estará abierto a la contribución de capital privado internacional.
  • Permitirá el desarrollo de nuevas aplicaciones, aportando robustez a los sistemas GNSS existentes y poniendo remedio a ciertas deficiencias que existen en la actualidad.
  • Tendrá cobertura global, asegurando así un mercado mundial para el sistema y sus aplicaciones. El sistema GALILEO incluirá además servicios de acceso restringido.
  • El sistema permanecerá bajo control de autoridades civiles, pero un sistema de seguridad y de interfaces adecuados será puesto en funcionamiento para asegurar la compatibilidad con las restricciones globales de seguridad.

5. EL RECEPTOR

5.1. DEFINICIÓN

Es el conjunto de elementos (Software y Hardware) que permiten determinar la posición, velocidad y tiempo de un usuario, además de otros parámetros adicionales.

5.2. FUNCIONES DEL RECEPTOR

  1. Identificación y seguimiento de los códigos asociados a cada satélite.
  2. Determinación de las distancias.
  3. Decodificación de las señales de los mensajes de navegación para obtener las efemérides, el almanaque, etc.
  4. Aplicar las correcciones (de reloj, ionosféricas, etc.).
  5. Determinación de la posición y velocidad.
  6. Validación de los resultados obtenidos y almacenamiento en memoria.
  7. Presentación de la información.

5.3. SELECCIÓN DE UN RECEPTOR

Como ocurre al adquirir cualquier otro equipo para la realización de una determinada actividad profesional, esta selección requiere un cuidadoso análisis de la forma en que se utilizara el receptor, que tipo de información necesitara del mismo y que le permitirá su presupuesto.

Algunas de las cuestiones a considerar son las siguientes:

  1. Si necesita fijar una posición ocasional o registrar una traza.
  2. Si necesita medir la velocidad con precisión.
  3. Si es la economía más importante que la precisión.
  4. Si es el consumo de energía un factor importante.
  5. Si tendrá que funcionar el receptor en condiciones altamente dinámicas, experimentando aceleraciones y altas velocidades.

Existen numerosos tipos de receptores en el mercado dependiendo del uso para lo que los empleemos, una clasificación importante es aquella que los clasifica en dos grupos, los que pueden seguir simultáneamente cuatro o más satélites y aquellos que conmutan secuencialmente de uno a otro satélite.

6. PREPARACIÓN DE LAS OBSERVACIONES

6.1. PLANIFICACIÓN

Es conveniente, para evitar pérdidas de tiempo en repeticiones de puesta en estación y variaciones de planes, realizar una buena planificación de las observaciones y determinar cuál es la hora del día en la que hay un mayor número de satélites a la vista, así como cuándo la geometría de la observación es más idónea, además de determinar el estado de salud de los satélites.

6.2. OBSERVACIÓN

Una vez decidido el lugar, el día y la hora de la observación, debemos elegir el método de posicionamiento adecuado en función del tipo de trabajo a realizar y de la precisión requerida e introducir en la unidad de control del receptor los parámetros de la observación.

6.3. CALCULO

En primer lugar se debe proceder a introducir los datos de las observaciones en el software. En el caso de trabajar en tiempo real, este proceso lo realiza la propia unidad de control. Así mismo, se deben comprobar todos los datos y atributos referentes a cada punto, tales como nombres, alturas de antena, etc.

A continuación, se procede a calcular un punto singular (single point) de todos los puntos que hayan constituido una estación en el trabajo.

El siguiente paso es determinar los parámetros correctos y apropiados para el cálculo de líneas base, es decir:

  1. Máscara de elevación.
  2. Corrección ionosférica y troposférica.
  3. Tipo de efemérides usadas.
  4. Combinación de observables a utilizar.
  5. Parámetros estadísticos de errores máximos tolerables (ratio, pérdidas de ciclo, señal/ruido, satélite de referencia, etc.).

Seguidamente, se procede al cálculo de líneas base de una manera ordenada, es decir, siguiendo algún criterio, como puede ser calcular todas las líneas base que lleguen a un mismo punto antes de tomar éste como referencia para calcular otras líneas base, o algún otro criterio que se estime adecuado.

7. MÉTODOS DE POSICIONAMIENTO

7.1. POSICIONAMIENTO ABSOLUTO

Se realiza con un único receptor, y consiste en la solución de una intersección directa de todas las distancias receptor-satélite sobre el lugar de estación en un período de observación determinado. La medida y la solución son por lo tanto directas.

7.2. POSICIONAMIENTO DIFERENCIAL

Es el que se realiza cuando las precisiones requeridas son mayores. Será mejor o peor en función del instrumental utilizado y de la técnica de posicionamiento diferencial a la que se recurra.

El posicionamiento diferencial consiste en hallar la posición absoluta de un punto (móvil, objetivo, etc.) mediante las observaciones realizadas desde ese punto a unos determinados satélites, sumadas a las realizadas en ese mismo instante desde otro punto (referencia) a esos mismos satélites. Por lo tanto, aquí aparece el concepto de "línea base", que es la línea recta que une el punto de referencia y el punto objetivo.

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Dependiendo de las observables, instrumental de observación y software de cálculo utilizados, podemos citar las siguientes técnicas o métodos de posicionamiento diferencial:

  • Métodos estáticos.

Estático.

Estático rápido.

Reocupación o pseudoestático.

  • Métodos cinemáticos.

Cinemático.

Stop & Go.

Cinemático continuo

  • DGPS (GPS Diferencial).

8. TRABAJO EN TIEMPO REAL

8.1. INTRODUCCIÓN

En primer lugar, debe quedar claro que el trabajo en tiempo real no es un método de posicionamiento por satélite, sino que es una forma de obtener los resultados una vez procesadas las observaciones.

El procesamiento de estas observaciones se puede realizar con un software post-proceso, previa inserción de los datos de observación necesarios, ya sea en campo o en gabinete. Ahora bien, este cálculo se puede realizar de forma inmediata a la recepción de las observaciones por la unidad de control, obteniendo las coordenadas al instante, es decir, en tiempo real. Para ello, se incorporan los algoritmos de cálculo del software post-proceso, o parte de ellos, a los controladores para este tipo de aplicaciones.

Esto, supone una gran ventaja, ya que todo el tiempo que se invierte en insertar, tratar, chequear y procesar los datos se suprime al obtener los resultados al instante. Pero también tiene una serie de inconvenientes, que lo serán mayores o menores en función del tipo de trabajo y de las condiciones de la observación. Entre ellos destacan los siguientes:

  • Limitación de los radiomodems de emisión y transmisión de datos.
  • Imposibilidad de chequear los ficheros de observación.
  • Limitación en las correcciones de tipo atmosférico.
  • Limitación en los procesos de transformación de coordenadas.
  • Pobre tratamiento e información estadística.
  • Escasa manipulación de los parámetros de cálculo.

8.2. RTK (Real Time Kinematic)

En el argot actual de la Topografía Aplicada mediante posicionamiento por satélite, se denomina equipo de trabajo con módulo RTK (Real Time Kinematic) a aquel que incorpora un software completo en la unidad de control y un sistema de transmisión de información que permite la obtención de resultados en tiempo real. Los módulos RTK pueden procesar observables de código y de diferencia de fase, y son aplicables a cualquier tipo de trabajo donde el posicionamiento por satélite sea necesario.

Las fases del trabajo en tiempo real con módulo RTK son las siguientes:

  • El equipo de trabajo mínimo son dos equipos de observación (receptor y antena), dos radiomodems (transmisor y receptor) y un controlador en la unidad móvil con un software de procesado de datos.
  • En primer lugar, se estaciona el equipo de referencia (receptor, antena y radiomodem transmisor), que va a permanecer fijo durante todo el proceso. El radiomodem transmisor va a transmitir sus datos de observación por ondas de radio al receptor incorporado en el equipo móvil, que a su vez almacenará en la unidad de control.
  • En segundo lugar, si el método escogido es el posicionamiento estático, el controlador calculará la posición del móvil en tiempo real. Si el método elegido es del tipo cinemático (stop & go o cinemático continuo), se debe proceder a la inicialización, necesaria para poder efectuar estos modos de posicionamiento. Tras efectuarse con éxito, se pueden determinar coordenadas de puntos en pocos segundos. En ocasiones la inicialización es muy rápida y con una fiabilidad muy alta, pero conviene comprobar las coordenadas obtenidas sobre un punto conocido para verificar que la inicialización a sido correcta.

Es evidente que la obtención de resultados en tiempo real supone una gran ventaja en todos los trabajos de índole topo-geodésicos, así como en todos los campos donde esté presente el posicionamiento mediante satélites. Pero quizás, la aplicación donde mayor beneficio representa es en la topografía y replanteo de obras de ingeniería.

9. PRECISIÓN DEL SISTEMA GPS

La precisión es muy variable, dependiendo fundamentalmente del equipo elegido y del método de trabajo seleccionado, sin entrar en detalles de los equipos y de los métodos de trabajo, las precisiones son las siguientes:

Observable: Código ▼

CÓDIGO

MÉTODO

PRECISIÓN

 

 

S/A OFF

S/A ON

P

Autónomo

3 m

30 m

C/A

Autónomo

15-20 m

100 m

C/A

Diferencial

2,5 m

--

C/A

Submétrico

30-70 cm

--

Observables: Código C/A y fase L1 ▼

Observables: Código C/A, fase L1 y fase L2 ▼

Para ver las tablas seleccione la opción "Descargar" del menú superior

SV: Satélites (SV, Spacial Vehicle).

LB: línea base.

Las precisiones y los tiempos de observación dependen de las líneas base.

10. APLICACIONES

Hoy por hoy, podemos enumerar los siguientes campos en los que los sistemas de posicionamiento mediante satélites están presentes:

  • Geodesia
  • Geofísica
  • Topografía y fotogrametría
  • Ingeniería
  • Hidrografía
  • Sistemas de información geográfica
  • Navegación
  • Defensa
  • Ocio y deporte

11. APLICACIONES EN MINERÍA

11.1. INTRODUCCIÓN

La industria minera ha sido pionera y líder en expandir la utilización de los productos GPS en Tiempo Real. Las minas a cielo abierto ofrecen un ambiente ideal para el GPS, combinando una clara visibilidad del cielo con demandas insistentes de mejora en la eficiencia.

La capacidad del sistema GPS para proveer precisión centimétrica en Tiempo Real, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día, permite la implantación de cambios y desarrollos significativos en la automatización de las operaciones mineras.

11.2. COMPONENTES ACTUALES

11.2.1. Levantamientos de mapas de exploración

Hoy en día, los geólogos pueden sencillamente dirigirse al terreno y capturar digitalmente la ubicación y composición de las muestras utilizando los aparatos GPS. En ese momento es posible generar mapas exactos y utilizar los datos capturados por el GPS para poblar los sistemas de información. Es posible encontrar fácilmente los emplazamientos antes visitados, utilizando las poderosas herramientas de navegación del sistema GPS.

11.2.2. Reconocimientos topográficos

Gracias a las posibilidades que nos ofrecen los sistemas de reconocimiento topográfico para funcionar en tiempo real, como por ejemplo la Estación Total GPS, ha sido posible doblar la productividad. La primera vez que Trimble Navigation presentó dichos sistemas, manejados por una sola persona y aptos para funcionar en todo tipo de condiciones climáticas, fue en 1994. Hoy día, son numerosas las minas de todo el mundo que utilizan la Estación Total GPS. En dichas minas se utiliza la Estación Total GPS para las siguientes aplicaciones:

  • Control de avance de excavadoras
  • Control de volúmenes
  • Determinación de la inclinación de las pistas
  • Replanteo de sondeos para voladura
  • Replanteo de la división de los tajos
  • Levantamiento de vertederos
  • Análisis de grietas y deformaciones
  • Levantamiento de pie y cabeza de taludes
  • Control del firme
  • Replanteo de pendientes y ángulos de taludes
  • Etc.

11.2.3. Seguimiento y despacho de vehículos

Al utilizar el sistema GPS para seguir la posición de los camiones de carga, los despachadores de la mina pueden planear con exactitud las rutas para recoger y descargar el material, lo cual ahorra tiempo y combustible a la vez que reduce significativamente el tiempo que el camión queda inactivo. El sistema GPS también permite al usuario asegurarse de que se entreguen las cargas adecuadas a las pilas de materiales que corresponden, a la vez que aumenta las medidas de seguridad porque evita las colisiones.

11.2.4. Navegación y control de maquinaria

Al utilizar la misma técnica que se creó para los reconocimientos topográficos en tiempo real, los sistemas de conducción de maquinaria de la actualidad ayudan al operario de la perforadora a dirigirse exactamente a las posiciones previstas de los sondeos, y a los operarios de excavadoras les permite mantener la inclinación y posición en las ramificaciones minerales. Las funciones de control avanzadas de dichos sistemas permiten recibir en tiempo real información sobre las diversas variables mecánicas operativas de cada máquina, lo cual da lugar al mantenimiento técnico preventivo y garantiza que las operaciones se realicen dentro de las tolerancias indicadas. Dichos sistemas reducen los gastos de explotación gracias el aprovechamiento máximo del equipo y reducen el costo de los reconocimientos topográficos.

En lo que respecta a equipos auxiliares, por ejemplo indica al operario de la motoniveladora en tiempo real cuales son las zonas que están bajo o sobre el nivel de cota planificado, de manera que éste pueda determinar para cada pasada si es necesario cortar o rellenar.

11.2.5. Alineación de bandas transportadoras

Los sistemas de bandas transportadoras actuales, los que pueden alcanzar kilómetros de longitud, necesitan alineamientos exactos entre un segmento y otro. El sistema GPS se utiliza para mantener en línea recta dichos segmentos y corregir la velocidad del sistema, a fin de garantizar un buen apilado. Gracias al sistema GPS, las bandas apiladoras y recuperadoras se mantienen perfectamente perpendiculares a la banda transportadora principal.

12. COSTES DE LOS DIFERENTES EQUIPOS

De igual manera que existen numerosos tipos de receptores así como diferentes modelos y marcas, el margen de precios de los diferentes equipos GPS es considerable, pudiendo oscilar de manera orientativa entre los 200 € para los equipos navegadores más económicos hasta los 40.000 € para los equipos geodésicos y topográficos más sofisticados (Estación Total GPS), aunque depende mucho de los numerosos accesorios adicionales que podemos añadir a cada equipo, así como del software necesario para cada tipo de trabajo.

13. VENTAJAS E INCONVENIENTES

El sistema de posicionamiento mediante satélites, ya sea con GPS, GLONASS o GPS/GLONASS, es una herramienta imprescindible en la sociedad de nuestros días, y que los técnicos en todas las materias afectadas deben saber tratar, manipular y ejecutar correctamente, ya que supone, como ha quedado reflejado en este trabajo, un adelanto en la calidad y rendimiento de los trabajos respecto a los métodos clásicos, que nunca se deben abandonar, pero que la evolución de otras técnicas obliga a ir dejando a un lado y recurrir a técnicas, no sólo más modernas, sino más fructíferas y que en un futuro cercano estarán en el idioma y rutina cotidiano de los profesionales de estos campos.

Se citan a continuación las ventajas que ofrece el posicionamiento mediante satélites en nuestro trabajo:

  • No es necesaria la intervisibilidad entre estaciones, ya que el sistema de medida es indirecto entre ellas y directo a los satélites. Esto reduce el número de estacionamientos al poder salvar los obstáculos y reduce los errores accidentales y sistemáticos al no tener que realizar punterías ni tantos estacionamientos con intervisibilidad entre los puntos. En definitiva, se reduce el tiempo de observación y los errores que se producen en ella. Debemos añadir además que la observación nocturna es totalmente operativa.
  • Al trabajar con ondas de radio, estas no sufren efectos significativos a causa de la niebla, lluvia, frío y calor extremo, y otros tipos de incidencias.
  • El rango de distancias que se pueden alcanzar es mucho mayor, al no ser medidas directas. El mejor de los distanciómetros no supera los 4-5 Km de distancia, además del error que introduce. Con el posicionamiento mediante satélites podemos medir bases desde unos pocos metros hasta centenas y miles de Km.
  • Dado que no se dispone de sistemas ópticos, su fragilidad es menor y su mantenimiento y calibración no es requerido con la frecuencia que lo requieren los instrumentos ópticos. Los costes de mantenimiento por ello son menores.
  • El servicio de las señales que ofrecen los sectores espaciales y de control es totalmente gratuito, lo que supone sólo desembolsos en instrumentación de observación, cálculo y gastos para I+D.
  • La obtención de los resultados es rápida, máxime si sumamos la obtención de los mismos en tiempo real (RTK). Además, las observaciones y los resultados son interpretables y tienen comprobación.
  • La variedad de métodos de posicionamiento hace que sean sistemas apropiados y aptos para cualquier tipo de trabajo.

Por otro lado, los inconvenientes más relevantes son:

  • No puede ser utilizado en obras subterráneas y a cielo cerrado.
  • Tiene dificultades de uso en zonas urbanas, cerradas, con edificios altos y zonas arboladas y boscosas, debido a las continuas pérdidas de la señal de los satélites. Este problema, no obstante, se está solucionando, y de forma satisfactoria, con el uso combinado de las constelaciones GPS y GLONASS para mantener siempre cinco o más satélites sobre el horizonte.
  • El desconocimiento del sistema. El sistema de posicionamiento por satélite es una gran herramienta, y de fácil uso, pero ello no lleva consigo eximirse de su conocimiento y del tratamiento de sus observables correctamente, ya que de lo contrario, se pueden obtener resultados poco satisfactorios en precisión y rendimiento.

14. CONCLUSIÓN

Como conclusión final de todo lo expuesto con anterioridad, podemos afirmar de manera evidente las ventajas del sistema GPS frente a los métodos tradicionales, entre otras: rapidez, fiabilidad, reducción de costes, precisión, etc.

En la actualidad es difícil imaginar la topografía sin el GPS, y debemos acabar con el rechazo que se produce ante toda nueva tecnología o equipo, puesto que el sistema GPS es toda una realidad.

En los foros topográficos se compara la aparición del sistema GPS con los cambios producidos ante la aparición de las estaciones totales en la década de los setenta, pero no es comparable, pues aunque las estaciones totales agilizaron y facilitaron el trabajo, los métodos, procedimientos, cálculos, etc. siguieron siendo los mismos que en siglos pasados. Con el sistema GPS no ha ocurrido esto, todo es distinto, los procedimientos, cálculos, métodos, etc.

En relación con los trabajos mineros, la gran ventaja del sistema GPS, sin duda ha sido el hecho de poder obtener posicionamientos absolutos con la precisión necesaria en tiempo real, requisito imprescindible en la topografía minera, además de la posibilidad de implementar procedimientos de automatización de maquinaria y control de flotas de producción.

Isaac Pérez Román

ESCUELA UNIVERSITARIA POLITÉCNICA DE ALMADÉN

INGENIERÍA TÉCNICA DE MINAS

TRABAJO FIN DE CARRERA


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