Monografía de Radio enlace Digital (página 3)

Medición de
Pseudodistancias.

Con los métodos de
medición del sistema GPS, se miden
distancias entre la antena del Receptor y los Satélites.

Para la solución geométrica son
suficientes tres mediciones de este tipo:

La posición de la antena viene dada por el punto
de intersección de tres esferas, con la posición de
los satélites como centro de las esferas y tres distancias
medidas como radios. La distancia desde el Receptor al
Satélite se obtiene por medio de una medición del
tiempo de
propagación con ayuda del código
GA, o bien, el código P. Simplificando se puede
representar como sigue: El Satélite transmite un impulso
(Código), el cual contiene como información adicional el instante de la
emisión (a) y en el Receptor se mide el momento de llegada
(b) del impulso y se lee la información contenida sobre el
instante de emisión, la diferencia de tiempo (b-a)
multiplicada por la velocidad de
propagación de la señal da la distancia siempre que
el reloj del Satélite y del Receptor estén
perfectamente sincronizados, ya que normalmente éste no es
el caso, se obtiene una distancia falsa proporcional a la
diferencia de relojes, dicha diferencia o desfase de relojes va a
entrar como una incógnita más en las ecuaciones del
cálculo
de la distancia al Satélite.

Medida de Código:

Pseudodistancia en metros de acuerdo con la
definición:

Constante del reloj del
Receptor.

Constante del reloj del
Satélite.

Instante real de la Transmisión de
la señal.

Instante de la Transmisión en el
marco de tiempo real del Satélite.

Instante real de la Recepción de
la señal.

Instante de Recepción de la
señal en el marco de tiempo del Receptor.

La Pseudodistancia no está corregida
de efectos externos: retardo ionosférico,
refracción atmosférica, error del reloj del
satélite, etc.

Medición de distancias con
medidas de fase.

Contrariamente a la Pseudodistancia, en la
que se mide el tiempo de propagación con ayuda de los
códigos modulados C/A ó P, aquí se mide el
desfase de la onda portadora y la fase de la señal llegada
del Satélite es comparada con la fase de una señal
de referencia generada en el Receptor.

Del desfase se obtiene una parte de la
distancia como parte de la longitud de onda; esto significa en la
medición hecha la frecuencia L1, que es una parte de la
distancia comprendida en 1cm, en la frecuencia L2 en 24cm y esto
con resolución en el ámbito sub-milimétrico,
en principio el número de longitudes de ondas completas
en la distancia Satélite-Receptor permanece desconocido,
es por ello que el programa de
cálculo tiene que estar en condiciones de determinar el
número de longitudes de onda desconocidas para poder calcular
las coordenadas de la estación.

Medida de portadora de
fase:

Fase continua expresada en ciclos de las
portadoras L1 y L2, de acuerdo con la definición: phi =
Fase Generada por Receptor-Fase Recibida.

Método
Diferencial.

Las señales
de los Satélites son recibidas simultáneamente por
dos Receptores y con este método se
anulan un cierto grado de errores inevitables como la
imprecisión de la órbita del Satélite y se
obtiene con ello una mayor precisión que con la
determinación de un punto aislado, es entonces donde se
utiliza el método de medición de fase que da una
mayor precisión que el de la medida de la Pseudodistancia
y evidentemente es necesario restituir en un ordenador los puntos
medidos en distintas estaciones.

Los errores que se eliminan utilizando el
Método Diferencial son los siguientes:

• Disponibilidad Selectiva.
  (SA)

• Retardo Inosférico.

• Retardo Troposférico.

• Error en las
  efemérides.

• Error del reloj del
  Satélite.

Medición GPS Diferencial en
tiempo real para batimetría.

Como hemos podido ver anteriormente,
solamente con el Método Diferencial se pueden obtener
altas precisiones, debido a que con este método se anulan
las principales fuentes de
error, esto exige el trabajar con dos Receptores GPS de forma
simultánea y básicamente obtendremos de forma
precisa la posición relativa entre ambos
Receptores.

Para la realización de
batimetrías utilizaremos el método diferencial en
tiempo real, es decir, dispondremos de nuestra posición
precisa en el instante de medición, esto es posible
gracias a un Radio enlace
entre la estación de referencia y el equipo móvil
que va instalado en la embarcación, la precisión
que se puede obtener en la posición está
condicionada por el tipo de observable que utilicemos, es decir,
código o fase y dicha precisión va a ser la que
determine nuestra metodología de trabajo.

Antes de continuar expondremos las dos
tareas que tienen que cumplir un sistema para levantamiento
batimétrico:

1) Navegación, es decir, el sistema
debe de ser capaz de indicarnos que camino debemos de seguir para
no crear zonas de solapes indeseados o bien que nos indique por
donde debemos llevar la embarcación por unos perfiles
predeterminados.

2) Sincronización de los datos recibidos
por el instrumento de medidas de profundidades (En nuestro caso,
Ecosonda) y por el instrumento que nos indica plan
métricamente, donde se ha producido esta medida de
profundidad. (GPS)

Los sistemas
clásicos utilizados hasta el momento solucionaban el
problema de diferentes maneras.

Escandallo y métodos
topográficos clásicos.

Escandallo: Las primeras sondas eran
simples pesos de plomo de forma troncocónica (Escandallo)
atados a una cuerda (Sondaleza), que se dejaba caer hasta tocar
el fondo, este tipo de sonda sólo se utiliza hoy en
día para trabajos muy expeditos y cercanos a la costa para
obtener calidades de fondo.

Para tomar la posición existen dos
variantes:

Método Intersección
Directa: Se marran las cabeceras de los perfiles a seguir por
la embarcación y se estaciona uno de los teodolitos en el
perfil, orientando en otro de los perfiles, este teodolito
introducirá a la embarcación dentro del perfil y
cambiará de estación para cada perfil, el otro
teodolito se coloca en otro punto de coordenadas conocidas y
tomará lectura
angular marcando el instante para tomar lectura de profundidad
con el escandallo.

Método Polar: Este
método solo requiere de una estación total o
teodolito y distanció metro, estacionado en la cabecera de
cada perfil y orientado pertinentemente. La estación total
obtendrá las coordenadas de un prisma, o conjunto de
prismas, instalados sobre la embarcación y a su vez
guiará a la embarcación a lo largo del perfil,
deben de sincronizar el momento de medición sobre el
prisma y el momento de lectura de profundidad con el
escandallo.

Este sistema presenta varios errores, en
sus dos variantes y por una parte, se necesita una gran coordinación en el momento de la
medición de distancia y profundidad, ya que por muy bien
que se realice la sincronización siempre existe una
diferencia entre el punto de visualización y el punto de
fondeo del escandallo y por otra parte, el error más
importante es el valor de la
profundidad, pues la estimación visual que se realiza en
el escandallo hay que corregirle de la variación del nivel
del mar, así como de las oscilaciones del barco producidas
por el oleaje.

Ecosonda y métodos
topográficos clásicos.

Este sistema es idéntico al anterior
en cuanto a la metodología empleada en el método
topográfico y en sus dos variantes, lo que varia es el
método de medición de profundidad, que en este caso
se realizará con una sonda que detallaremos a
continuación.

Las primeras sondas eran manuales,
actualmente dibujan directamente el perfil del fondo mediante un
procedimiento
análogo al de los sismógrafos y donde el equipo de
sondeo está diseñado para producir el sonido, recibir y
amplificar el eco, medir el tiempo transcurrido desde la
emisión y la recepción del sonido, así como
convertir este intervalo de tiempo en unidades de profundidad y
registrar estas medidas de profundidad en una banda de papel
instalado sobre un tambor giratorio. El sonido es producido por
un "Transductor", que automáticamente convierte un
impulso eléctrico en una onda sonora, el Transductor
también recoge el eco reflejado por el fondo y lo
convierte en una señal eléctrica, que es
amplificada y registrada en unidades de profundidad sobre una
banda graduada.

Las ondas sonoras son emitidas por el
Transductor a intervalos de tiempo muy cortos; así por
ejemplo un modelo
portátil de sonda de esta clase, cuya
máxima profundidad de alcance no llega a los 75m, hace los
sondeos a la velocidad de 600 por minuto.

El sonido atraviesa el agua a una
velocidad casi constante, pero esta velocidad (Aproximadamente
1440m/s) varía con la temperatura,
salinidad y profundidad (Presión).

Los instrumentos de sondeo acústico
operan para cierta velocidad del sonido, que se llama
"Velocidad de Calibración" y todos los sondeos
están afectados por un error cuya magnitud es directamente
proporcional a la diferencia entre la velocidad de
calibración y la real de transmisión en el agua al hacer
el sondeo, existen tablas que dan la corrección que hay
que aplicar para los distintos valores de la
temperatura, la salinidad y la profundidad.

Muchas de las sondas portátiles de
esta clase están equipadas de modo que se puedan corregir
antes de hacer los sondeos, teniendo en cuenta dichos valores
para obtenerla profundidad real del sondeo.

Este ajuste se hace bajando una barra de
contraste hasta cierta distancia por debajo del Transductor y
regulando la velocidad de transmisión, ganancia, etc., de
modo que el instrumento registre la profundidad real de la barra,
las sondas de eco tienen de ordinario una precisión
instrumental que varía desde unas centésimas por
ciento de la profundidad, en las grandes instalaciones
permanentes hasta 0,5% de la profundidad en las sondas
portátiles y el valor medio de la velocidad de
propagación de las ondas acústicas en el mar es
1500m/s, dicho valor, sin embargo es incierto y una fuente de
error clara.

El método de levantamiento con
Ecosonda y métodos clásicos es más preciso
en sus dos variedades que el anterior, sobre todo en lo que se
refiere a profundidad que es más preciso y rápido
(Después de una adecuada calibración de la
sonda).

Tendremos especial cuidado en realizar
frecuentes calibraciones del Ecosonda para alcanzar unas medidas
de profundidad más fiables.

Una de las principales fuentes de error es
debida a las variaciones de marea y oleaje durante la
realización de la batimetría, donde el error debido
a la variación de la marea, se corrige mediante el
registro de
estas variaciones, después de realizar unas medidas
periódicas a lo largo del día del trabajo. En
cuanto al error debido al oleaje, nos encontramos con un problema
de difícil y costosa solución ya que es necesaria
la utilización de equipos de compensación de
oleaje.

Ecosonda y GFS. (Con observable de
código).

Este el método utilizado desde
algunos años por numerosos profesionales para realizar
levantamientos batimétricos y que muchos fabricantes de
accesorios para la navegación, han incorporado en su gama
de productos como
equipos estándar y soluciones
totalmente terminadas, pero que solamente se pueden utilizar para
levantamientos expeditos con precisión del entorno del
metro, debido a factores que más tarde
analizaremos.

Básicamente el equipo se compone de
los siguientes elementos, como se muestra en la
figura 10:

Figura 10. Equipos que componen al
Ecosonda y GFS.

Se estaciona en tierra en un
punto de coordenadas conocidas, un equipo de una o dos
frecuencias enviando por un Radio Modem
correcciones estándar de código RTCM. (Radio
Technical Commission for Maritime Services), en la
embarcación se coloca un equipo GPS de una frecuencia
(Suficiente para este tipo de aplicación) y la Ecosonda
Digital, es importante instalar la antena GPS sobre la misma
vertical que el Transductor de la Ecosonda, para de esta manera
no sea necesario el realizar correcciones por la
excéntrica de antena GPS y Transductor.

Una vez instalados estos dos elementos, se
envía a través de los puertos serie de un PC el
mensaje NMEA corregido de Pseudodistancia, desde la
estación de tierra y por otra parte la lectura de
profundidad desde la ecosonda, en el PC va instalado un programa
de navegación que es el encargado de realizar las dos
tareas que debe de realizar un equipo batimétrico:
Navegación y Sincronización de los datos
procedentes de la Ecosonda y el GPS (X, Y,
Profundidad).

Decíamos que es una solución
estándar porque los programas de
navegación incorporan el protocolo de
comunicación con las distintas marcas y modelos de GPS
así como de Ecosondas.

Este sistema proporciona un rendimiento
inigualable comparado con cualquiera de los métodos
anteriormente citados ya que podemos levantar puntos (X, Y,
Profundidad) con cadencia de un segundo e incluso de fracciones
de segundo y por otra parte tampoco es necesario un operario en
tierra que vaya guiando la embarcación puesto que
dispondremos de la información necesaria para situarlo con
suficiente precisión sobre el perfil
teórico.

Pero por el contrario tendremos estos
errores e inconvenientes:

1) Error en la posición de carácter sub-métrico debido a la
precisión que proporcionan las observables GPS de solo
Código.

2) Errores debido a la
sincronización entre el instante de toma de
posición y profundidad: Los programas estándar de
navegación no están diseñados para trabajar
con un alta precisión, ya que la sincronización se
realiza con asignación de tiempos por entrada de datos en
las puertas serie del PC, hay algunos programas de
navegación, en los cuales podemos introducir un retardo
aproximado desde el instante de toma de posición o
profundidad hasta el momento de anexión de datos de
profundidad y posición, hemos podido estimar que este
retardo es variable en función de
diversos factores, estimando que el retardo sufrido se halla en
el entorno de 1 a 3Segundos, este error se hace patente cuando el
terreno a levantar tiene una gran pendiente y conforme se aumenta
la velocidad de desplazamiento de la
embarcación.

3) Sigue indeterminado el problema de
mareas y oleaje de una manera integrada en el, mismo sistema,
debiendo corregir estos errores del mismo modo que en los
métodos anteriores.

4) Se precisa de instrumentación clásica para
realizar el trabajo de
tierra; cabecera de perfiles, bases, etc.

Ecosonda digital y GPS. (Con observable
de fase).

Básicamente el sistema se compone de
los siguientes elementos:

1) Como estación de referencia
dispondremos de un Receptor GPS de doble frecuencia, Unidad de
Control conectada
a un Radio Modem enviando correcciones de código y mensaje
con observable de fase en tiempo real.

2) Como se muestra en la figura 11, el
sistema a bordo de la embarcación está compuesto
por:

Un Receptor GPS de doble
frecuencia.

Unidad de Control en la que corre el
Software para el
tratamiento de observables de fase en tiempo real.

Radio Modem recibiendo las correcciones
procedentes del equipo de referencia, Ecosonda digital y PC
portátil.

Figura 11. Composición de un
sistema a bordo de la embarcación.

En cuanto a las conexiones se puede
observar que existen dos variantes, en relación al sistema
estándar de batimetría con GPS, según se
muestra en la figura 12.

• a) En primer lugar, consideramos
  el hecho de utilizar como opción más
  aconsejable, Receptores de doble frecuencia puesto que al
  trabajar con medidas de fase, es necesaria la
  inicialización para la resolución de
  ambigüedades y tan solo los equipos de doble frecuencia
  son capaces de inicializar en movimiento (OTF), evitando por
  tanto tener que desmontar el equipo de la embarcación
  e inicializar en tierra cada vez que el sistema se quede con
  menos de 4 Satélites, con un equipo de estas
  características y utilizando el método
  apropiado se puede obtener en tiempo real, coordenadas en el
  sistema de referencia Local, con precisión de 2 a 3cm
  + 1ppm, tanto en planimetría como en
  altimetría, el hecho de obtener la cota del punto
  nos permite realizar la batimetría sin tener en cuenta
  el estado de la marea y corregir la variación de
  altura de la antena GPS-Transductor, debido al
  oleaje.

Figura 12. Elementos que intervienen
en un Sistema estándar de Batimetría con
GPS.

• b) En segundo lugar se consigue un
  grado de sincronización mucho más alto debido a
  que todos los registros tomados, tanto la posición de
  la antena GPS (X, Y, Z) como la profundidad medida por la
  Ecosonda, incorporan una señal de tiempo enviada por
  el Receptor GPS (Según se muestra en la figura 13) que
  nos permite realizar una correlación entre ambas
  medidas.

Figura 13. Equipo Receptor
GPS.

Para ello es imprescindible que la Ecosonda
incluya la posibilidad de entrada del mensaje NMEA (El cual
incluye el instante de la toma de la posición en Tiempo
GPS), para que de esta manera asocie instante de toma de
posición (X,Y, Z) al instante de toma de profundidad, los
datos de profundidad más tiempo quedan almacenados en el
PC portátil, el cual incluye el Software de
navegación, cuya única misión es
la de planificar los perfiles y guiarle por ellos, de esta manera
evitamos la deficiente sincronización que nos proporciona
este tipo de programas.

Existe una configuración alternativa
que nos permite simplificar el sistema, para ello es necesario
que el sistema GPS posea una Unidad de Control con la capacidad
de gestión
y replanteo de líneas (Perfiles), como por ejemplo la
CR344 del Sistema 300 de Leica, que fue el equipo con el que se
realizaron todas las pruebas y de
este modo podemos eliminar de la configuración el Software
de navegación y sustituir el PC por un Palmtop PC cuya
autonomía y tamaño es más apropiado para su
instalación en pequeñas embarcaciones.

Conclusiones

En el diseño
realizado se pudo corroborar lo planteado en la introducción en cuanto al relieve del
terreno, el cual es predominantemente bajo como se muestra en el
papel de 4/3 habiendo una sola elevación a tomar en
cuenta.

• Se realizó un análisis para dos
  valores posibles de K previendo posibles situaciones
  ambientales anómalas.

• En el análisis se dio como resultado que para
  la 1ra Zona de Fresnel continuará liberará en
  un 71% en los 2 valores posibles de K analizados, la antena
  Receptora tendrá una altura de 60Km y la antena
  Transmisora tendrá una altura de 40m.

• Se realizó un Balance Energético
  tomando en cuenta todas las posibles pérdidas que
  afectan las señales a esta frecuencia y tomamos en
  cuenta los valores de potencia y sensibilidad de los equipos
  a utilizar, pudiendo comprobarse con los cálculos
  realizados que el nivel de señal más bajo que
  llega al Receptor está muy por encima del valor de
  sensibilidad del mismo, teniendo en cuenta por lo tanto un
  margen de umbral (MU) mayor que ¨0¨

En cuanto a las técnicas
de medición planteamos una de las más conocidas y a
modo de conclusión sobre él mismo se
nombrará las siguientes ventajas con respecto a cualquier
sistema estándar de batimetría con GPS:

• Se dispone de una precisión de 2cm a 3cm +
  1ppm en la posición de la antena GPS (X, Y, Z) frente
  a la posición sub-métrica ofrecida por otras
  soluciones.

• La sincronización entre el instante de toma
  de posición y profundidad se realiza de forma
  más eficaz mediante el método anteriormente
  descrito, proporcionado grados de sincronización por
  debajo del Segundo.

• En cuanto a la compensación de los errores
  debidos al efecto de mareas y variación de altura
  debida al oleaje, quedan total y automáticamente
  eliminados al disponer de cota precisa en la posición
  de la antena GPS, debemos de tener en cuenta los errores
  accidentales producidos por cabeceo y balanceo de la
  embarcación, estos errores se pueden minimizar
  acortando la distancia entre antena GPS y Transductor, sobre
  todo consideramos imprescindibles el aprovechar los momentos
  del mar en calma para la realización de
  batimetrías.

• Ya que se requiere un equipo de precisión
  centimétrica para realizar este trabajo, no es
  necesaria instrumentación clásica para
  completar el trabajo en tierra, además al disminuirse
  el número de instrumental a bordo es posible trabajar
  con embarcaciones de poco calado que nos permita una mayor
  aproximación a tierra.

• Este sistema ha sido desarrollado gracias a una
  colaboración de LEICA e INTOPSA que actualmente
  utiliza este sistema obteniendo un rendimiento y resultados
  excelentes.

• Las primeras pruebas se realizaron en el embalse de
  Navalcan (Toledo) del que se disponía de un
  levantamiento por métodos fotogramétricos
  durante un vaciado del embalse y con el que se pudo comprobar
  que las diferencias obtenidas entre ambos modelos digitales
  eran del orden de 5cm.

Bibliografía

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• RTCM RECOMENDED STANDARDS FOR
  DIFERENTIAL NAVSTAR GPS SERVICE. Radio Technical Commission
  For Maritime Service. Enero 1994

Autor:

Maytée Odette López
Catalá

Virgilio Zuaznabar
Mazorra

Curso: 2008-2009.