Aplicaciones de los Navegadores a la Topografía
Enríquez Turiño, Carlos (1), Mozas Calvache, Antonio T. (2), Tabernero Galán, Antonio (3)†
(1) Dpto. de Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría. EPS de Jaén. Universidad de Jaén. C/ Virgen de la Cabeza 2, 23071 Jaén. E-mail cenrique@ujaen.es (2) Ingeniero Técnico en Topografía. (3) Facultad de Informática. Universidad Politécnica de Madrid. Boadilla del Monte, 28660 Madrid. E-mail: ant@fi.upm.es
RESUMEN: La desaparición de la disponibilidad de selectiva nos ha planteado la posible utilización de los navegadores como elemento de ayuda en trabajos de topografía así como para la realización de determinados trabajos en los que la precisión exigida no sea excesiva. También se muestra la posibilidad de utilizar ciertos navegadores como receptores monofrecuencia de bajo coste.


  • INTRODUCCIÓN

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    El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se desarrolló a mediados de los años 70 por el Departamento de Defensa de los EE.UU. que buscaba un sistema ‘todo-tiempo’ que permitiese que sus tropas conocieran con gran precisión su posición.

    La tecnología GPS viene estando disponible desde hace más de una década y aunque en sus orígenes se concibió como un sistema de navegación puramente militar, en la actualidad se está utilizando en aplicaciones civiles de diversos campos que van desde mediciones geodinámicas de medición de la deformación de la corteza terrestre hasta el control y guiado de aviones comerciales. Cada una de estas aplicaciones requiere una precisión determinada y, en consecuencia, unos equipos determinados. Los navegadores constituyen la gama más económica de receptores GPS. Trabajan en código, y permiten que el usuario conozca su posición en tiempo real, una vez desaparecida la disponibilidad selectiva, con una precisión entorno a los 15 m. Esta baja precisión hace que sean desechados como equipos topográficos y habitualmente su uso se restringe a fines meramente recreativos. No obstante, vamos a tratar de ver si aún con estas limitaciones pueden ser instrumentos útiles para el trabajo topográfico.

  • MATERIALES EMPLEADOS
    1. Navegador
    El equipo utilizado ha sido un GARMIN 12CX. Es un receptor de doce canales en paralelo, que permite seguir hasta un máximo de doce satélites simultáneamente, almacenar mil puntos y treinta rutas. Nos puede presentar las coordenadas en diferentes formatos, incluyendo UTM y latitud – longitud, y con diferentes datums, ciento siete, incluyendo uno que puede ser definido por el propio usuario. También admite la posibilidad de recibir correcciones diferenciales.

    Para su utilización como equipo monofrecuencia es necesario conectarlo a un PC, en este caso un portátil Fujitsu C332, con 32 Mb de RAM y un procesador Pentium Celeron.

    1. Equipos bifrecuencia
    Para la realización de las mediciones se utilizaron equipos GPS de la casa Leica de la serie 300. Es un equipo bifrecuencia de nueve canales. Como receptor fijo hemos utilizamos la antena de referencia, CRS 1000 RTK, sita en el Campus de las Lagunillas. Tiene la capacidad de una operatividad autónoma que le permite realizar medidas de referencia y medidas GPS. El receptor puede ser controlado por control remoto y puede descargar datos por algunos de sus puertos series configurables. Esto la hace una unidad interesante para ser utilizada como estación de referencia. El receptor incluye: El procesado de los datos se realizó con la versión 1.1 del SKI-Pro.
    1. Descripción del trabajo
      1. Trabajos realizados
    Las pruebas que hemos realizado han sido las siguientes. En todos los casos la configuración del navegador es bien simple, ya que el único parámetro que permite modificar es la frecuencia de toma de datos, y en todos los casos se puso a 1 segundo. Toda la zona de trabajo aparece en el Mapa 1.


    Mapa 1 Zona de trabajo

    1. Replanteo en tiempo real
    Este trabajo consistió en el replanteo de unos puntos, que delimitan unas cuadrículas mineras, en las proximidades de Bailén. El trabajo presentaba varias dificultades: los puntos estaban aislados, no eran intervisibles entre sí, y además en la mayor parte de los casos estaban situados entre olivos (ver Mapa 2.) La realización de este trabajo mediante metodología clásica hubiese supuesto un gran esfuerzo, tanto humano como técnico, por lo que se decidió efectuar el replanteo en tiempo real con GPS. Aún así existía una dificultad adicional y era el aproximarnos lo suficiente a los puntos a replantear. Para realizar esta parte del trabajo se utilizó un navegador GARMIN 12XL amablemente cedido por la casa Leica. Fue precisamente el buen rendimiento que obtuvimos del navegador, lo que nos animó a adquirir uno para posibles trabajos futuros.
         
    Mapa 2 Delimitación de las cuadrículas mineras.
         
    1. Obtención de la observación en formato RINEX
    Uno de los autores ha desarrollado un sistema para extraer datos en crudo de ciertos modelos GARMIN. Dicho software puede encontrarse en http://artico.lma.fi.upm.es/numerico/miembros/antonio/async/. El principio en el que está basado este software es muy simple. Un navegador debe obtener su posición de la misma manera que cualquier otro equipo GPS: midiendo tiempos, códigos y fases. Una vez establecido este principio, lo único que tenemos que saber es cómo leer la información que recibe nuestro navegador. De dicha dirección descargamos un programa que nos permitía obtener la información deseada en formato binario y otro que convertía la información anterior en formato RINEX. La ejecución de ambos programas y el montaje de los equipos es de lo más sencillo. Basta conectar el navegador a un PC a través de un puerto serie y ejecutar el programa async.exe desde MS DOS. Posteriormente el fichero binario se convierte en formato RINEX mediante el programa grm2rnx.exe. Una vez que tenemos la observación en formato RINEX con el programa Ski-Pro podemos realizar el post-proceso.
         
    1. Mediciones en estático
    Se realizaron tres tipos de mediciones. La primera, y más simple, consistió en situar el navegador en un pilar de 1.20 m de altura que se encuentra en el interior del patio de la antigua Escuela de Magisterio. Su ubicación es un buen ejemplo de todos los inconvenientes que puede presentar un lugar de emplazamiento para un equipo GPS: está situado en el interior de la ciudad, rodeado de edificios y con un muro y árboles al sur de su emplazamiento. El objetivo de esta primera medición era comprobar la precisión del navegador. Para ello se conectó el navegador y se procedió a tomar puntos durante unos minutos. Posteriormente se descargaron los resultados en el PC y se representó su posición frente a la posición del pilar, obtenida mediante una observación de 20 minutos con el equipo bifrecuencia. Desgraciadamente el navegador tan solo almacena planimetría, por lo que en los resultados no aparece reflejada la altimetría.

    El siguiente trabajo consistió en la observación, en dos ocasiones, del mismo punto pero en modo estático tradicional. Se conectó el navegador al PC y se tomaron datos cada segundo durante quince minutos.

    Por último, realizamos la observación del vértice Coronilla. El procedimiento fue el mismo que en el caso anterior y el tiempo de observación fue de 20 minutos.

    1. Levantamiento en cinemático.
    La siguiente prueba consistió en el levantamiento en cinemático de un tramo, del PK 33 al PK 49.5, de la carretera A-316, en modo navegador. La elección de este tramo de carretera se debe a que este mismo tramo se levantó con un GPS bifrecuencia durante las prácticas de la asignatura de Geodesia Espacial de este año. Teníamos por lo tanto un modo fácil de comprobar la bondad del sistema. En modo navegador, la carretera se recorrió en ambos sentidos, comenzando en el PK 49.5. La velocidad media del coche fue de 40 Km/h y la frecuencia de toma de datos cada segundo, para coincidir con los parámetros de la observación realizada con los equipos bifrecuencia. El levantamiento con el equipo bifrecuencia se realizó a partir del PK 33 y se realizó en un solo sentido. En este caso como equipo de referencia se utilizó un receptor situado en el vértice geodésico Torremocha.
    1. RESULTADOS
      1. Resultados en modo navegador
    En la figura 1 vemos las diferencias en (X, Y) de la posición obtenida con el navegador y la posición obtenida mediante la medición en modo estático con el equipo bifrecuencia.
         

    Fig. 1 Errores en Navegación


    1. Resultados en post-proceso
    En las siguientes tablas, tenemos los diferentes resultados. En la tabla 1 aparecen los parámetros de observación y procesado más importantes de todas las observaciones:
         
        Máscara de elevación 15 º Límite para resolver ambigüedades  20 Km
        Modelo troposférico Hopfield emc a priori (mm) 10
        Modelo ionosférico Sin modelo Intervalo de muestreo para estático  Usar Todas
        Tipo de solución Estándar Procesamiento de fase Automático
        Efemérides Transmitidas Detección de saltos de ciclo Revisar fase y pérdida de señal
        Datos empleados Usar código y fase emc de medición de fase 10 mm.
        Frecuencia de fase Automático Act. de interv. para cinemático  5 épocas
        Frecuencia de Código Automático Tiempo mín. para fijar amb. en L1 9 min
        Coordenadas Ujaen (37º 47’ 18.36482’’ N; 3º 46’ 40.28985’’ W, 506.693 m)
    Tabla 1. Parámetros de procesado.
         
    En la tabla 2, están las coordenadas WGS 84 del pilar tanto para el equipo GARMIN, como para la observación bifrecuencia y la diferencia entre ambas observaciones. El procesado se efectúo, en un caso en L1 y en el otro en L1 + L2, resolviéndose las ambigüedades en todos los casos.
         
         
        Lat
        Lon
        h
        Dist
        Garmin 1
        37º 46’ 30.96909’’ N
        3º 47’ 15.98901’’ W
        560.184 m
        1703.45 m
        Garmin 2
        37º 46’ 30.98747’’ N
        3º 47’ 15.96590’’ W
        560.939 m
        1702.70 m
        SR-300
        37º 46’ 30.97434’’ N
        3º 47’ 15.97086’’ W
        560.504 m
        1703.10 m
        Diferencias
        - 0.16 m
        0.44 m
        - 0.32 m
        0.35 m
         
        0.40 m
        -0.12 m
        0.43 m
        -0.40 m
      Tabla 2. Resultados de la observación Ujaen – Magisterio
    Los resultados de la observación de Coronilla aparecen reflejados en la tabla 3. En primer lugar aparecen las coordenadas WGS84 calculadas con el navegador. Aplicamos los parámetros de transformación, (Mozas, A) y obtenemos las correspondientes coordenadas UTM referidas a ED50. Comparando estas coordenadas con las facilitadas por el IGN obtenemos la diferencia entre ambas observaciones.
         
         
        Lat / Y
        Lon / X
        h
        Dist
        Garmin
        37º 59’ 04.55041’’ N
        3º 51’ 44.83866’’ W
        447.13 m
        23011.38 m
        s
        0.003 m 
        0.008 m
        0.005 m
         
        Garmin UTM
        4204662.904
        424373.777
        395.0 m
         
        I.G.N
        4204663.175
        424373.379
        394.9 m
         
        Diferencia
        0.27 m
        0.40 m
        0.1 m
         
    Tabla 3. Resultados de la observación Ujaen - Coronilla
         
    1. Resultados en cinemático
    La comparación de los resultados en modo cinemático la realizaremos de modo cualitativo. En primer lugar tenemos el mapa de la carretera, obtenido a partir de la última edición de la hoja número 947 del MTN del IGN (Mapa 3) y a continuación el levantamiento realizado con el navegador a la misma escala. (Mapa 4)
       

      Mapa 3 Carretera A-316 en la hoja 974 del MTN. Escala original 1:50.000

      Mapa 4 Levantamiento de la carretera A-316 con el GARMIN

    Para comparar el levantamiento con el GPS bifrecuencia, de trazo continuo, con el levantamiento efectuado con el navegador, cruces, utilizamos los mapas generados por el SKI-Pro. El sistema de referencia utilizado es el WGS 84. En el Mapa 5 tenemos, a una escala aproximada 1:8.000, el tramo que discurre en las proximidades de Torremocha. Pese a estar a una escala grande, se ve que ambos levantamientos aparecen superpuestos. A una escala mayor, aproximadamente 1:1.800, se puede apreciar claramente el error que se comete con el navegador: el trazo continuo, debería coincidir con la hilera superior de cruces (Mapa 6.)
       
    Mapa 5 Levantamiento en las proximidades de Torremocha. Escala aproximada 1:8.000
       

      Mapa 6 Ampliación de la zona anterior. Escala aproximada 1:1.800


    1. CONCLUSIONES
    Aun reconociendo que lo único que hemos realizado son unos trabajos preliminares, y que sería necesario mas ensayos para poder extraer conclusiones definitivas al respecto, la primera impresión que hemos obtenido del pariente más pobre de los GPS es altamente favorable.

    Es claro que podemos utilizar un navegador para trabajos en los que la precisión requerida no sea excesiva, inferior a 25 m, tales como Sistemas de Información Geográfica, o incluso trabajos de teledetección. También es obvia su utilización para buscar vértices geodésicos o clavos NAP. No olvidemos que en muchos casos las reseñas no están actualizadas y hacen referencia a carreteras que ya no existen o han sido remodeladas. También puede emplearse para la representación de caminos y senderos en mapas a escala 1:50.000 o incluso superior.

    Pero, sin duda alguna, los resultados más prometedores aparecen cuando consideramos su utilización como un receptor monofrecuencia de bajo coste. Pensemos que el binomio navegador - palm top nos puede proporcionar un receptor monofrecuencia con un coste entorno a las 100.000 pts, frente al 1.500.000 pts que vale un receptor convencional. Se puede argumentar, y con parte de razón sin duda, que estos equipos convencionales conllevan además una serie de ventajas tales como ser más resistentes, mayor capacidad de almacenamiento de datos, servicio post-venta,... pero el quid de la cuestión radica en si estas mejoras justifican la diferencia de precio.

    Si por último a todo esto añadimos que este tipo de equipos está capacitado par recibir correcciones diferenciales, tenemos que su adquisición puede ser una muy rentable inversión. Como inconveniente señalar una memoria bastante limitada. Tomando datos cada segundo, tan solo podemos trabajar durante 50 minutos en modo navegador. Es posible que en un futuro muy próximo, estos equipos permitan incorporar algún tipo de memoria, como en las que la actualidad llevan algunas cámaras de fotos digitales con lo que sus prestaciones aumenten de modo considerable. Ese punto marque, quizás, la desaparición de los actuales equipos monofrecuencia, o lo que es lo mismo una bajada drástica en sus precios, y por extensión una bajada generalizada de precios en el resto de las gamas.

    1. bibliografía
    MOZAS CALVACHE; A. Establecimiento de una Estación de Referencia GPS en la Universidad de Jaén. Proyecto Fin de Carrera de Ingeniería en Geodesia y Cartografía, dirigido por Carlos Enríquez Turiño. (En realización)

    Página WEB de Antonio Tabernero Galán: http://artico.lma.fi.upm.es/numerico/miembros/antonio/async/

    Página WEB La Página Española de los GPS: http://www.uco.es/~bb1rofra/gps.html. Mantenida por Antonio R. Franco.