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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE GEODESIA CATEDRA: POSICIONAMIENTO ASTRONOMICO Y SATELITAL PROFESOR MANAURE BARRIOS

GPS SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

REALIZADO POR: FLORES, ROSEMARY 25.030.120 MARACAIBO, NOVIEMBRE DE 2014

INTRODUCCION

Desde el principio de la navegación, tanto marítima como aeronáutica, siempre el principal problema lo ha representado el conocer la posición exacta de donde se está. Es en medio de resolver dicho problema, que se ha avanzado en los diversos campos tecnológicos para encontrar con el más sofisticado equipo que pueda proporcionar la situación de cualquier nave ya sea en el mar, la tierra o los cielos. Con la revolución tecnológica que experimenta la humanidad desde principios del siglo pasado hasta hoy en día, sale la ingeniosa idea de crear un sistema de posicionamiento en el globo terrestre que se basara en la utilización de satélites y ondas de radio, es así que hoy se cuenta con el Sistema de Posicionamiento Global. El Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System, GPS) desarrollado por Estados Unidos, se ha incorporado masivamente a todo tipo de trabajos que necesitan de una precisión exhaustiva a la hora de determinar la posición en que se encuentra un barco, un avión, un coche, un explorador o un iceberg sobre nuestro planeta. Este sistema se basa en las señales trasmitidas por los satélites para su operación. Es el resultado de la investigación y el desarrollo financiados por las fuerzas armadas para producir un sistema de navegación y guía global. Con el GPS ahora es posible obtener información de posicionamiento y de sincronización precisos en cualquier parte de la Tierra con una alta confiabilidad y un bajo costo. Es sistema puede operarse de día o de noche, durante la lluvia o tiempo soleado, y no requiere de líneas visuales despejadas entre las estaciones topográficas. Esto representa una revolucionaria desviación de los procedimientos topográficos convencionales. El GPS ha ganado aceptación en todo el mundo y esta tecnología se está usando virtualmente para todo tipo de levantamiento.

ESQUEMA -INTRODUCCION 1. FUNDAMENTOS DEL GPS 1.1. DEFINICION 1.2. ANTECEDENTES 1.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 2. SEGMENTOS DEL GPS 2.1. ESPACIAL 2.2. CONTROL 2.3. USUARIO 3. ESTRUCTURA DE LA SEÑAL GPS 3.1. CARACTERISTICAS Y ESTRUCTURA DE LA SEÑAL EMITIDA POR EL SATELITE 4. PROCEDIMIENTO DE MEDICION GPS 4.1. MÉTODO ESTÁTICO RELATIVO ESTÁNDAR 4.2. MÉTODO ESTÁTICO RELATIVO RÁPIDO 4.3. MÉTODO CINEMÁTICO RELATIVO 4.4. REAL TIME KINEMATIC (RTK)- GPS EN TIEMPO REAL 4.5. REAL TIME DIFERENCIAL GPS (RTDGPS) 5. CALIDAD DE LOS RESULTADOS DEL GPS -CONCLUSION -BIBLIOGRAFIAS DESARROLLO 1. FUNDAMENTOS DEL GPS 1.1.

DEFINICION

Sistema de radionavegación basado en el uso de satélites artificiales como puntos de referencia, que permite la determinación precisa de una posición, velocidad y tiempo de cualquier receptor ubicado en o la superficie terrestre, a partir de la medición de distancias entre ellos. El Sistema GPS (Global Positioning System) o Sistema de posicionamiento Global es un sistema de posicionamiento terrestre, la posición la calculan los receptores GPS gracias a la información recibida desde satélites en órbita alrededor de la Tierra. Basado en emisiones de radioseñales de

satélites, disponible en cualquier condición meteorológica, durante las 24

horas del día. El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20.200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los cuatro satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites.

1.2.

ANTECEDENTES

El lanzamiento del satélite espacial estadounidense Vanguard en 1959 puso de manifiesto que la transmisión de señales de radio desde el espacio podría servir para orientarnos y situarnos en la superficie terrestre o, a la inversa, localizar un punto cualquiera en la Tierra.

Los sistemas anteriores de posicionamiento que empleaban estaciones terrestres de A.M. (Amplitud Modulada) cubrían un área mayor que los de UHF (Frecuencias ultracortas), pero no podían determinar con exactitud una posición debido a las interferencias atmosféricas que afectan a las señales de radio de amplitud modulada y a la propia curvatura de la Tierra que desvía las ondas. Por tanto, la única forma de solucionar este problema era colocando transmisores de radio en el espacio cósmico que emitieran constantemente señales codificadas en dirección a la Tierra. De hecho esas señales cubrirían un área mucho mayor que las de A.M., sin introducir muchas interferencias en su recorrido. Sin embargo, no fue hasta 1993 que el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América, basado en la experiencia recogida del satélite Vanguard (en un principio para uso exclusivamente militar) puso en funcionamiento un sistema de localización por satélite conocido por las siglas en inglés GPS(Global Positioning System – Sistema de Posicionamiento Global). En sus inicios el propio Departamento de Defensa programó errores de cálculo codificados en las transmisiones de los satélites GPS para limitarlo solamente a la actividad militar que sí contaba con decodificadores para interpretar correctamente las señales, pero a partir de mayo de 2000 esta práctica quedó cancelada y hoy en día el sistema GPS se utiliza ampliamente en muchas actividades de la vida civil, aunque no está exento de ser reprogramado de nuevo en caso de cualquier conflicto bélico. Este sistema permite conocer la posición y la altura a la nos encontramos situados en cualquier punto de la Tierra en todo momento, ya sea que estemos situados en un punto fijo sin desplazarnos, e incluso en movimiento, tanto de día como de noche. El sistema GPS permite rastrear también, en tiempo real, la ubicación de una persona, animal, vehículo, etc., desde cualquier sitio y prestar auxilio si fuera necesario, con la condición que estén equipados con un dispositivo que pueda emitir algún tipo de señal, ya sea de radio o telefónica, que permita su localización. La primera prueba exitosa del sistema GPS desde el punto de vista práctico como instrumento de ayuda a la navegación, la realizó el trasbordador espacial

Discovery en el propio año que se puso en funcionamiento el sistema. Actualmente los satélites GPS pertenecen a una segunda generación denominada Block II. 1.3.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

ALGUNAS DE LAS VENTAJAS QUE OFRECE LA UTILIZACION DEL GPS SON: 

Ofrece buena precisión tanto para distancias largas como para distancias

  

cortas. Puede utilizarse a cualquier hora del día. No se necesita intervisibilidad entre las estaciones Se transmite la posición de activos y personas en tiempo real y con alto grado de exactitud gracias a la combinación de tecnologías de



radiofrecuencia, celular y satelital. El bajo consumo de energía y la miniaturización de los dispositivos permiten



rastrear prácticamente cualquier activo y/o persona. Gracias a que la utilización de los satélites para la determinación de la



posición es gratuito, es una herramienta accesible para cualquier usuario. La tecnología es de dominio público por lo que se desarrollan receptores GPS y aplicaciones de todo tipo.

ALGUNAS DE LAS DESVENTAJAS QUE PRESENTA LA UTILIZACION DEL GPS SON: 

A la hora de retransmitir la señal, se utilizan redes de radiofrecuencia, celular y otras constelaciones satelitales que pueden no estar disponibles



en todas partes. Los receptores GPS deben tener visibilidad hacia los satélites, sin interferencia, para determinar su posición con el mejor grado de exactitud.



Debido a que la utilización del GPS es de dominio público, han existido una amplia gama de empresas que no están certificadas para ofrecer servicios y productos confiables y de calidad.

2. SEGMENTOS DEL GPS El sistema GPS consta de tres sectores: los satélites, el sistema de control terrestre de los mismos, y los receptores de usuario que recogen las señales enviadas por los satélites y determinan las coordenadas del punto sobre el que se encuentran. 2.1. SEGMENTO ESPACIAL El segmento espacial está compuesto por la constelación de satélites NAVSTAR (Sistema de Navegación para Tiempo y Distancia) los cuales transmiten: señal de tiempos sincronizados, parámetros de posición de los satélites, información del estado de salud de los satélites sobre las dos portadoras y otros datos adicionales. Consiste en 24 satélites que operan en seis planos orbitales separados por intervalos de 60˚alrededor del ecuador. Se mantienen en reserva 4 satélites adicionales como repuestos. Los planos orbitales están inclinados a 55˚ con respecto al ecuador. Esta configuración provee una cobertura de satélite de 24 horas entre las latitudes de 80˚N y 80˚S. Los satélites viajan en órbitas casi circulares que tienen una altura media de 20.200 km arriba de la Tierra y un periodo orbital de 12 horas sidéreas. Los satélites individuales normalmente si identifican por su número de ruido seudoaleatorio (PRN: PseudoRandomNoise) (que se describen enseguida), pero también pueden identificarse por su número de vehículo satelital (SVN: SateliteVehicleNumber), o posición orbital. Se usan relojes atómicos precisos en los satélites GPS para controlar el cronometraje de las señales que transmiten. Son relojes muy exactos, y también muy caros.

2.2.

SEGMENTO DE CONTROL

Es quien gobierna el sistema, a través de cinco estaciones situadas en la tierra que se ubican estratégicamente cercanas al plano ecuatorial y en todas se cuenta con receptores y relojes de muy alta precisión. Estas estaciones son Hawái, Colorado Springs, Isla de Ascensión en el Atlántico Sur, Diego García en el Índico y Kwajalein en el Pacífico Norte. En estas estaciones se monitorean las señales de los satélites, y se rastrean sus orbitas. La información de rastreo se transmite a la estación maestra de control en el Centro Consolidado de Operaciones Espaciales (CSOC: ConsolidateSpaceOperation Center) ubicado en la base de la fuerza aérea Schriever en Colorado Springs. La estación maestra de control usa estos datos para hacer pronósticos precisos para el futuro cercano de las órbitas de los satélites, y sus parámetros de corrección del reloj. Esta información se descarga a los satélites, y, a su vez se transmiten como parte de sus mensajes transmitidos que deben usar los receptores para pronosticar la posición de los satélites y los sesgos de los relojes (errores sistemáticos). Estas estaciones realizan un seguimiento continuo de los satélites y pueden realizar cambios en la información transmitida por los satélites.

2.3.

SEGMENTO DE USUARIO

El segmento usuario está compuesto por todos aquellos receptores GPS de los diferentes fabricantes que se encuentren en el mercado. Consiste en dos categorías de receptores que se clasifican por su acceso a los dos servicios que el sistema suministra. Estos servicios del Servicio de Posición Estándar (SPS:

Standar Position Service) y el Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS: Precise Position Service). El SPS se suministra en la frecuencia de transmisión L1 sin costo para el usuario, y estaba diseñado para suministrar exactitudes de 100m en posición horizontal, y 150m en posición vertical para un nivel de error del 95%. El PPS se transmite en ambas frecuencias L1 y L2, y solamente está disponible para los receptores que tengan claves criptográficas validas que se reservan casi completamente para uso de DoD. Este mensaje suministra una exactitud publicada de 18m en sentido horizontal, y 28m en sentido vertical para un nivel de error de 95%.

3. ESTRUCTURA DE LA SEÑAL GPS 3.1. CARACTERISTICAS Y ESTRUCTURA DE LA SEÑAL EMITIDA POR EL SATELITE Cada satélite va provisto de un reloj-oscilador que provee una frecuencia fundamental sobre la que se estructura todo el conjunto de la señal radiodifundida por el satélite. Cuando los satélites GPS están orbitando, cada uno transmite continuamente una señal única en dos frecuencias portadoras. Los satélites poseen una serie de antenas emisoras que funcionan en la banda L del espectro electromagnético, que son las que recibiremos en nuestros receptores. El satélite emite información sobre dos movimientos ondulatorios que actúan como portadoras de códigos, la

primera se denomina L1. La segunda se denomina L2. El poder utilizar las 2 frecuencias permite determinar por comparación de la diferencia de retardos, el retardo ionosférico, difícilmente predecible por otros sistemas. Sobre estas dos portadoras se envía una información modulada compuesta por tres códigos y un mensaje de navegación, generados también a partir de la frecuencia fundamental correspondiente. El primer código que envían es el llamado código C/A (coarse /adquisition) y ofrece precisiones que en la actualidad oscilan entre los 3m y los 10 m, y el segundo es el código P (precise) con precisiones métricas. Estos códigos son usados para posicionamientos absolutos, en navegación; y el tercero L2C de precisión similar al C/A. En cuanto al mensaje, éste consta de 1500 bits, correspondientes a 30 segundos. Está divido en 5 celdas. En cada celda encontramos información relativa a: CELDA 1 Parámetros de desfase del reloj y modelo del retardo ionosférico y troposférico. CELDAS 2-3 Efemérides de los satélites. CELDA 4 Aplicaciones militares. CELDA 5 Almanaque. Sobre la L1 se suelen modular los dos códigos vistos, el C/A y el P además del mensaje correspondiente. En la L2 sólo se modula también el mensaje de navegación además de los códigos L2C y P. 4. PROCEDIMIENTO DE MEDICION GPS 4.1.

METODO ESTATICO RELATIVO ESTANDAR

Los receptores se quedan fijos sobre las respectivas estaciones. Se trata del clásico posicionamiento para la medida de distancias con gran precisión, alrededor de 5mm + 1ppm, en el que dos o más receptores se estacionan y observan durante un periodo mínimo de media hora, una o dos, según la redundancia y precisión necesarias, y en función de la configuración de la constelación local y distancia a observar. Los resultados obtenidos pueden alcanzar precisiones muy

altas, teóricamente hasta niveles milimétricos. Este método es el empleado para medir distancias mayores de 20 kilómetros con toda precisión. Las aplicaciones de este método son: • Redes geodésicas de cobertura a grandes áreas. • Redes nacionales y continentales. • Seguimientos de movimientos tectónicos. • Redes de gran precisión 4.2.

METODO ESTATICO RELATIVO RAPIDO

Con este método se reducen los periodos de observación hasta 5 o 10 minutos por estación, manteniendo los mismos ordenes de precisión que para el método Estático (5mm-10mm + 1ppm). Utiliza un algoritmo para la resolución estadística de las ambigüedades (en los equipos de la casa Leica, este algoritmo de resolución rápida de ambigüedades se denomina FARA), que permite la disminución de los tiempos de observación, por el contrario, tiene la limitación en las distancias a observar, menores de 20 kilómetros. El método destaca por su rapidez, sencillez y eficacia. Las aplicaciones de este método son: • Redes topográficas locales. • Redes de control. • Apoyo fotogramétrico. 4.3.

METODO CINEMATICO RELATIVO

El receptor de referencia estará en modo estático en un punto de coordenadas conocidas, mientras el receptor móvil (ROVER), deberá ser inicializado para resolver la ambigüedad, de una de las siguientes formas: mediante una observación en estático (rápido) o bien, partiendo de un punto con coordenadas conocidas. Las épocas o intervalos de cadencia de toma de datos será función del objetivo de trabajo (velocidad del movimiento, cantidad de puntos a levantar...).

Existen mayores restricciones en la observación, ya que no puede haber pérdida de la ambigüedad calculada inicialmente. Si la hubiera tendríamos que volver a inicializar el receptor móvil. Existe una variante de este método denominado STOP&GO. En este caso existe un número determinado de puntos a levantar, en los cuales realizaremos una parada durante unas épocas, almacenaremos la información del punto y seguiremos sin perder la señal de los satélites, hacia el siguiente punto a levantar. Este método ha quedado obsoleto en la actualidad debido a la aparición del RTK. 4.4.

REAL TIME KINEMATIC (RTK)- GPS EN TIEMPO REAL

Consiste en la obtención de coordenadas en tiempo real con precisión centimétrica (1 ó 2 cm + 1ppm). Usualmente se aplica este método a posicionamientos

cinemáticos,

aunque

también

permite

posicionamientos

estáticos. Es un método diferencial o relativo. El receptor fijo o referencia estará en modo estático en un punto de coordenadas conocidas, mientras el receptor móvil o “rover”, es el receptor en movimiento del cual se determinarán las coordenadas en tiempo real (teniendo la opción de hacerlo en el sistema de referencia local). Precisa de transmisión por algún sistema de telecomunicaciones (vía radiomodem, GSM, GPRS, por satélite u otros) entre REFERENCIA y ROVER. Esta sería una restricción en la utilización de este método (dependencia del alcance de la transmisión). Sus aplicaciones son muchas en el mundo de la topografía, y van desde levantamientos, hasta replanteos en tiempo real, fundamentalmente. 4.5.

REAL TIME DIFERENCIAL GPS (RTDGPS)

Consiste en la obtención de coordenadas en tiempo real con precisión métrica o submétrica. Es un método diferencial o relativo. El receptor fijo o referencia estará en modo estático en un punto de coordenadas conocidas, mientras el receptor móvil o Rover, es el receptor en movimiento del cual se determinarán las coordenadas en tiempo real (teniendo la opción de hacerlo en el sistema de referencia local). Se trabaja con el código, es decir con la medida de pseudodistancias. En el receptor móvil se realiza una corrección a las

pseudodistancias calculadas, mediante los parámetros de corrección que envía el receptor

de

referencia.

Precisa

de

transmisión

por

algún

sistema

de

telecomunicaciones entre REFERENCIA y ROVER. Este sería una restricción en la utilización de este método (dependencia del alcance del sistema de transmisión de telecomunicaciones utilizado). Mejora el posicionamiento absoluto por código. Este método se aplica fundamentalmente en navegación. En el caso de topografía y cartografía se usa en levantamientos a pequeña escala, GIS, actualizaciones cartográficas de pequeña escala. 5. CALIDAD DE LOS RESULTADOS GPS Los parámetros que van a condicionar en gran medida las precisiones que podamos obtener con el sistema GPS, y por lo tanto las fuentes de error posibles pueden deberse a los satélites, al medio de propagación de la señal o a los receptores. Destacamos las siguientes: • Tiempo (relojes): Dado que en la información que nos llega de los satélites, estos nos transmiten el tiempo exacto en el que empezaron a emitir su mensaje codificado, y que los receptores miden, también, el tiempo exacto en el que recibieron cada señal, podremos calcular una medida de distancia entre el receptor y el satélite, conociendo la velocidad de propagación de la onda y el tiempo transcurrido desde que se emitió la señal hasta que fue recibida. El problema surgirá cuando los relojes del satélite y el receptor no marquen el mismo tiempo, de tal manera que un microsegundo de desfase se traduce en un error de 300 metros en la medición de la distancia. • Ionosfera: La ionosfera es la región de la atmósfera que se sitúa aproximadamente entre 50 y 1000 kilómetros sobre la superficie de la tierra. Posee la particularidad de que los rayos ultravioletas procedentes del sol ionizan las moléculas de gas que allí se encuentran liberando electrones, produciendo de esta forma una dispersión no lineal en las ondas electromagnéticas enviadas por los satélites. Cada onda se decelera en un ritmo inversamente proporcional al cuadrado de su frecuencia. La manera utilizada para eliminar esta fuente de error

consiste en comparar la información que recibimos utilizando las dos portadoras, L1 y L2 (receptores bifrecuencia), mediante la combinación de observables; o trabajar con un límite de distancias entre vértices inferiores a 20 km. • Troposfera: Estos errores se cometen cuando se produce una refracción de las ondas según las distintas condiciones meteorológicas de temperatura, presión y humedad relativa del aire, que encuentra a su paso. Para eliminar estos errores se aplican modelos troposféricos ya establecidos, o mediante algoritmos de estimación del retardo troposférico. • Efecto Multitrayectoria: Se produce cuando la onda sufre reflexiones, choques contra objetos reflectantes en su camino hacia la antena. Para reducir este efecto se requiere disponer de antenas con planos de tierra y sobre todo poner un especial cuidado en el emplazamiento de la misma. La precisión de la posición se mejora con una señal P(Y). Al presumir la misma precisión de 1% de tiempo BIT, la señal P(Y) (alta frecuencia) resulta en una precisión de más o menos 30 centímetros. Los errores en las electrónicas son una de las varias razones que perjudican la precisión.

Fuente

Efecto

Ionosfera

±3m

Efemérides

± 2,5 m

Reloj satelital

±2m

Distorsión multibandas

±1m

Troposfera

± 0,5 m

Errores numéricos

± 1 m o menos

Puede también mejorarse la precisión, incluso de los receptores GPS estándares (no militares) mediante software y técnicas de tiempo real. Esto ha sido puesto a prueba sobre un sistema global de navegación satelital (GNSS) como es el NAVSTAR-GPS. La propuesta se basó en el desarrollo de un sistema de posicionamiento relativo de precisión dotado de receptores de bajo costo. La contribución se dio por el desarrollo de una metodología y técnicas para el tratamiento de información que proviene de los receptores. 

Retraso de la señal en la ionosfera y la troposfera. 

Señal multirruta, producida por el rebote de la señal en edificios y montañas cercanos.



Errores de orbitales, donde los datos de la órbita del satélite no son completamente precisos.



Número de satélites visibles.



Geometría de los satélites visibles.



Errores locales en el reloj del GPS.

CONCLUSION

La tecnología del Sistema de Posicionamiento Global está permitiendo a enormes cambios en la sociedad. Las aplicaciones que utilizan el GPS están en constante crecimiento. El costo de los receptores está disminuyendo, mientras que al mismo tiempo la exactitud del sistema está mejorando. A pesar de que el sistema fue desarrollado originalmente para fines militares, las ventas civiles superan las ventas militares. Se destaca hoy este método para determinar y conocer ciertos aspectos ya que permite cálculos de manera rápida y accesible que ayudan en el entorno y en la descripción de un terreno, vía, reconocimiento de un área. Debido al constante desarrollo del sistema G.P.S., día a día se incrementa la aplicación de los mismos en las actividades científicas, profesionales, deportivas, recreacionales. Como todo buen invento siempre existirán modificaciones de este o incluso reemplazos totales, por lo cual es de esperar que el GPS no permanecerá exento y vendrán otros equipos quizás basados en su principio de funcionamiento pero llevados a otros niveles de perfección por ello a lo que la navegación respecta, seguirá en un constante cambio tecnológico del cual aún no se avizora el fin y mientras tanto se deben aprovechar al máximo estos adelantos tecnológicos siempre que se haga racionalmente y no completamente dependiente de dichos sistemas que como bien se conoce no son de disponibilidad totalmente garantizada.

BIBLIOGRAFIAS



LIBRO DE TOPOGRAFIA, EDITORIAL ALFAOMEGA Autor: Paul R. Wofl – Charles D. Ghilani



Aplicaciones Topográficas del G.P.S. M. Farjas (Archivo PDF)



Blog del Capitán Luis Oviedo: TRABAJO SOBRE EL GPS http://oviedoluis.blogspot.com/2008/07/trabajo-sobre-el-gps.html



Sistema de Posicionamiento Global (WIKIPEDIA) http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamiento_global#Fiabilid ad_de_los_datos



Introducción al Sistema de Posicionamiento Global GPS, por el Ingeniero Geodesta Eucaris Agüero http://es.slideshare.net/cartografiamonagas123/introduccion-al-sistemade-posicionamiento-global-gps



Captura de Datos con GPS, por el Profesor Leonardo Casanova M. http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/lnova/Archivos/PowerPoint/GPSProcDeCampo.pdf