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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) TOPOGRAFIA II DOCENTE: Ing. BORIS CHIQUE CALDERON ALUMNA:

ALFARO ESTOFANERO, KAREN MARISOL

CODIGO: 161876 SEMESTRE: V PUNO – PERU 2018

GRUPO: A

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN _______________________________________________________ 3 EVOLUCIÓN DEFINICIÓN Y USOS DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) 4 HISTORIA _________________________________________________________________ 4 DEFINICION _______________________________________________________________ 6 FUNCIONAMIENTO _________________________________________________________ 8 PRESICION DE LOS DATOS ____________________________________________________ 8 FUENTES DE ERROR _________________________________________________________ 9 Errores propios del satélite ________________________________________________________ 10 Errores provenientes del medio de propagación. _______________________________________ 11 Errores en la recepción. ___________________________________________________________ 11

APLICACIONES DE LOS GPS __________________________________________________ 12 Ingeniería Civil. __________________________________________________________________ 12 Modelos Geológicos y Topográficos. _________________________________________________ 12 Levantamiento topográfico con GPS _______________________________________________ 13

CONCLUSIONES ______________________________________________________ 14 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________________ 14

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INTRODUCCIÓN El GPS (Sistema de Posicionamiento Global) es un sistema global de navegación por satélite que permite determinar en todo el mundo la posición de un de un punto con precisión hasta de centímetros. En esta monografía se describirá como el GPS ha venido tomando importancia a nivel nacional y mas aun mundial, así como su importancia en la ejecución de proyectos de Ingeniería Civil, principalmente en el área de levantamiento y replanteo topográfico georreferenciado. En el primer item se presenta su origen y su evolución, también está la información del sistema de posicionamiento GPS definición y usos además de la forma en cómo se comunican los dispositivos receptores GPS, mediante el protocolo NMEA. Al igual que se encuentra la forma en que este proyecto puede ser exportado hacia otro sistema y no quedar aislado, este es el Protocolo MODBUS. Además, una explicación de la forma de comunicación inalámbrica que posee, sus aplicaciones y sus fuentes de error.

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EVOLUCIÓN DEFINICIÓN Y USOS DEL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) HISTORIA

1.1. EL PRIMER GPS ANTECEDENTE Fue inventado por J W Jones en 1909 y se llamaba Jones Live Map y era el primer GPS de la historia. en realidad, era una especie de tipo de GPS que iba unido al odómetro y hacia girar un disco de papel con una ruta entre dos ciudades. Cada disco de papel tenía una ruta diferente entre dos ciudades, marcando ríos, puentes y otras localizaciones de interés. El disco giraba a medida que el coche avanzaba, y una aguja señalaba la posición. Cada disco cubría 100 millas (160,9 km). Si una ruta era más larga, se precisaba de varios discos. Pero este es solo un antecedente de lo que sería el verdadero aporte y desarrollo del GPS. 1.2.EVOLUCION DEL GPS El sistema de “GPS” nace en 1973 y queda oficialmente declarado como funcional en 1995. Es un sistema que inicialmente se desarrolló con enfoque de estrategia bélica, pero a través de los años el gobierno de Estados Unidos decidió permitir el uso al público en general con ciertas limitaciones de exactitud. 

Cronología En los siguientes reglones estará descrita la historia y cronología del sistema GPS desde sus predecesores hasta su etapa de implementación total.

1920’s Orígenes de la radionavegación.

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Principios de la II Guerra Mundial – LORAN, el primer sistema de navegación basado en la llegada diferenciada de señales de radio desarrollado por el laboratorio de Radiación de MIT. LORAN fue también el primer sistema de posicionamiento capaz de funcionar bajo cualquier condición climatológica, pero es solamente bidimensional (latitud y longitud). 1959

TRANSIT, el primer sistema operacional basado en satélites, fue

desarrollado

por Johns Hopkins (Laboratorio de Física Aplicada) bajo el Dr. Richard Kirschner. A pesar de que la intención de TRANSIT era dar soporte a la flotilla de la marina de Estados Unidos, las tecnologías empleadas para el sistema demostraron ser útiles para el sistema de posicionamiento global (GPS). El primer satélite fue lanzado en 1959. 1960

El primer sistema de posicionamiento de tres dimensiones es sugerido por Raytheon Corporation en necesidad de la fuerza aérea.

1963

La compañía aeroespacial lanzó un estudio en la utilización de un sistema espacial para el sistema de navegación para los vehículos en movimiento a gran velocidad y tres dimensiones; esto los llevó directamente al concepto de GPS. Esto proporcionaba la distancia al satélite cuya posición era conocida que a la vez establecía la posición del usuario.

1963

La fuerza aérea da apoyo a este estudio bautizándolo Sistema 621B.

1971

El sistema 621B es probado por la fuerza aérea dando resultados de una precisión de centésimas de milla.

1973

El secretario de la defensa decide que los diferentes sistemas de navegación que se estaban creando, se unificaran y crearon un solo y robusto sistema de navegación.

1974

Junio. Rockwell international fue contratado como proveedor de los satélites GPS.

1974

Julio 14. El primer satélite de NAVSTAR fue lanzado.

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1978

El primer block de satélites fue lanzado. Un total de 11 satélites fueron lanzados entre 1978 y 1985. Un satélite fue perdido debido a una falla de lanzamiento.

1983

Después de la caída de una Unión Soviética, el gobierno de Estados Unidos informa que el sistema GPS podrá ser utilizado por las aeronaves civiles.

1988

El secretario de las Fuerzas Aéreas anuncia la expansión de la constelación de GPS de 18 a 21 satélites y tres repuestos.

1989

El primero de un block de 28 satélites es lanzado en Cabo Cañaveral, Florida.

1991

El gobierno ofrece el sistema de GPS a la comunidad internacional sin costo durante los siguientes 10 años.

1993

El gobierno declara el sistema formalmente funcionado con sus 24 satélites en órbita.

1995

El gobierno de Estados Unidos, Bill Clinton se compromete mediante una carta a la ICAO a proveer las señales de GPS a la comunidad internacional

DEFINICION

El sistema de posicionamiento global (GPS) es un sistema de navegación basado en satélites, creado y operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Completamente operacional significa que el sistema puede ser usado para determinar la posición de un receptor las 24 horas del día, en cualquier parte de la tierra. El servicio está disponible, en forma gratuita, las 24 horas del día y bajo cualquier condición meteorológica. Para describir mejor el sistema se lo puede dividir en tres partes:

Este segmento consiste de una constelación de 24 satélites NAVS Agricultura de Precisión, INTA Manfredi, 1999 2 ondas de radio que transmiten con una frecuencia de entre 12001500 MHz. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz (300.000.000 m/s) en el vacío, 6

y disminuyen su velocidad cuando atraviesan la atmósfera terrestre. Los satélites también están equipados con relojes atómicos, que mantienen el tiempo en base a vibraciones naturales periódicas dentro de los átomos.

Estos relojes increíblemente precisos son un componente crítico que hacen posible el uso de satélites para navegación y mapeo. Cada satélite cuenta con cuatro relojes, 2 de cesio y 2 de rubidio, a pesar de que uno sería suficiente, de esta forma se evita el riesgo de rotura o pérdida de precisión por alguno de los relojes.

Segmento de Control Los satélites son seguidos y monitoreados por varias estaciones ubicadas estratégicamente alrededor del mundo. Esta red de estaciones de monitoreo se denomina generalmente segmento de control del GPS, y consta de 4 estaciones de monitoreo y una estación de control principal ubicada en la Base de la Fuerza Aérea Falcon en Colorado Springs, Colorado.

Las estaciones de monitoreo miden las señales de ondas de radio que son transmitidas continuamente por los satélites y pasan esa información a la estación de control principal. Ésta usa la información para determinar la órbita exacta de los satélites y para ajustar sus señales de.

Los GPS de uso civil no requieren licencia para operar ya que no transmiten señales de radio, solamente las reciben. Hay una gran gama de receptores con distintas precisiones y por ende precio, cada uno se adapta a un uso en particular.

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FUNCIONAMIENTO

La información que es útil al receptor GPS para determinar su posición se llama efemérides. En este caso cada satélite emite sus propias efemérides, en la que se incluye la salud del satélite, su posición en el espacio, su hora atómica, información doppler, etc. Mediante la trilateración se determina la posición del receptor: Cada satélite indica que el receptor se encuentra en un punto en la superficie de la esfera, con centro en el propio satélite y de radio la distancia total hasta el receptor. Obteniendo información de dos satélites queda determinada una circunferencia que resulta cuando se intersecan las dos esferas en algún punto de la cual se encuentra el receptor. Teniendo información de un tercer satélite, se elimina el inconveniente de la falta de sincronización entre los relojes de los receptores GPS y los relojes de los satélites. Y es en este momento cuando el receptor GPS puede determinar una posición 3D exacta (latitud, longitud y altitud).

PRESICION DE LOS DATOS

Debido al carácter militar del sistema GPS, el Departamento de Defensa de los EE. UU. se reservaba la posibilidad de incluir un cierto grado de error aleatorio, que podía variar de los 15 a los 100 m. La llamada disponibilidad selectiva(S/A) fue eliminada el 2 de mayo de 2000. Aunque actualmente no aplique tal error inducido, la precisión intrínseca del sistema GPS depende del número de satélites visibles en un momento y posición determinados.

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Si se capta la señal de entre siete y nueve satélites, y si éstos están en una geometría adecuada (están dispersos), pueden obtenerse precisiones inferiores a 2,5 metros en el 95 % del tiempo. Si se activa el sistema DGPS llamado SBAS (WAAS-EGNOS-MSAS), la precisión mejora siendo inferior a un metro en el 97 % de los casos. Estos sistemas SBAS no se aplican en Sudamérica, ya que esa zona no cuenta con este tipo de satélites geoestacionarios. La funcionabilidad de los satélites es por medio de triangulación de posiciones para proporcionar la posición exacta de los receptores (celulares, vehículos, etc.)

FUENTES DE ERROR

Representación visual en movimiento de la constelación de satélites GPS en conjunción con la rotación de la Tierra. Se puede ver cómo el número de satélites visibles desde un determinado punto de la superficie de la Tierra, en esta ilustración a 45° N, va cambiando con el tiempo. La posición calculada por un receptor GPS requiere en el instante actual la posición del satélite y el retraso medido de la señal recibida. La precisión es dependiente de la posición y el retraso de la señal. Al introducir el retraso, el receptor compara una serie de bits (unidad binaria) recibida del satélite con una versión interna mediante (un motor de correlación cableado en un chip especializado, basado en la patente Gronemeyer'216).12 Cuando se comparan los límites de la serie, las electrónicas pueden fijar la diferencia a 1 % de un tiempo BIT, o aproximadamente 10 nanosegundos por el código C/A. Desde entonces las señales GPS se propagan a la velocidad de luz, que representa un error de 3 metros. Este es el error mínimo posible usando solamente la señal GPS C/A.

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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 (ver la tabla). 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.

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

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

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Número de satélites visibles.

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Geometría de los satélites visibles.

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Errores locales en el reloj del GPS.

Errores propios del satélite Se refiere a los errores que afectan la calidad de los resultados obtenidos en una medición GPS. Errores orbitales (efemérides): Debido a que los satélites no siguen una órbita kepleriana normal por causa de las perturbaciones, se requieren mejores estimadores de órbitas, lo que implica un proceso que está obstaculizado por conocimientos insuficientes de las fuerzas que actúan sobre los satélites. 10

Errores del reloj: Se refieren a las variaciones en el sistema de tiempo del reloj del satélite, producidas por la deriva propia de los osciladores y las originadas por la acción de los efectos relativísticos. Errores de la configuración geométrica: las incertidumbres en un posicionamiento son consecuencia de los errores de las distancias asociadas con las geometrías de los satélites utilizados, cuatro o más. El efecto de la geometría queda expresado por los parámetros de la denominada Dilución de Precisión Geométrica (GDOP), el cual considera los tres parámetros de posición tridimensional y tiempo.

Errores provenientes del medio de propagación. Errores de refracción troposférica: La refracción troposférica produce errores comprendidos entre 2 metros (satélite en el zenit) y 25 metros (satélite a 5º de elevación). La refracción troposférica es independiente de la frecuencia, por lo tanto, una medición de dos frecuencias no puede determinar el efecto, pero este error puede ser compensado usando modelos troposféricos.

Multipath: Es el fenómeno en el cual la señal llega por dos o más trayectorias diferentes. La diferencia en las longitudes de las trayectorias causa interferencia de las señales al ser recibidas. El multipath se nota usualmente cuando se está midiendo cerca de superficies reflectoras, para minimizar sus efectos se utiliza una antena capaz de hacer discriminaciones en contra de las señales que llegan de diferentes direcciones. Errores en la recepción. Estos errores dependen tanto del modo de medición como del tipo de receptor que se utiliza. Ruido: Como la desviación estándar del ruido en la medición es proporcional a la longitud de onda en el código. El ruido en las medidas de fase de la portadora condiciona la cantidad 11

de datos y el tiempo de seguimiento requeridos para alcanzar un determinado nivel de precisión, resultando crucial el seguimiento y las mediciones continuas para asegurar dicha precisión. Centro de fase de la antena: Este puede cambiar en función del ángulo de elevación del azimut (figura 15). El aparente centro de fase eléctrico de la antena GPS es el punto preciso de navegación para trabajos relativos. Si el error del centro de fase de la antena es común para todos los puntos durante la medición, estos se cancelan. En mediciones relativas se usan todas las antenas de la red alineadas en una misma dirección (usualmente el norte magnético) para que el movimiento del centro de fase de la antena sea común y se cancele con una primera aproximación.

APLICACIONES DE LOS GPS “Son múltiples los campos de aplicación de los sistemas de posicionamiento tanto como sistemas de ayuda a la navegación, como en modelización espacio atmosférico y terrestre o aplicaciones con requerimientos de alta precisión en la medida del tiempo” (C Sánchez, 2008). A continuación, se detallan algunos de los campos civiles donde se utilizan en la actualidad sistemas GPS .

Ingeniería Civil. En este campo se utiliza la alta precisión del sistema GPS para monitorizar en tiempo real las deformaciones de grandes estructuras metálicas o de cemento sometidas a cargas Modelos Geológicos y Topográficos. Los geólogos comenzaron a aplicar el sistema GPS en los 80 para estudiar el movimiento lento y constante de las placas tectónicas, para la predicción de terremotos en regiones geológicamente activas. En topografía, el sistema GPS constituye una herramienta básica 12

y fundamental para realizar el levantamiento de terrenos y los inventarios forestales y agrarios. Levantamiento topográfico con GPS

“Las actividades relacionadas al levantamiento topográfico han sido modificadas tremendamente durante las pasadas décadas por la incorporación de instrumentos de última tecnología entre los que se puede mencionar el GPS”. (González Alcaraz, 2006).

Es necesario resaltar que la característica de mayor importancia en esta modificación se evidencia en el proceso de captura, almacenamiento, cálculo y transmisión de los datos de campo, así como en la representación gráfica de los mismos; esto ha traído como consecuencia la posibilidad de obtener un producto final con mayor precisión y rapidez.

El uso que el profesional de la Ingeniería hace de la topografía tiene básicamente que ver con la definición de linderos y con el desarrollo de proyectos de infraestructura tales como urbanismos, carreteras, puentes, obras hidráulicas, alcantarillado, riego y drenaje, etc., por lo tanto se hace necesario incorporar a los cursos de Topografía la enseñanza de los fundamentos y prácticas necesarias para que los estudiantes adquieran estos conocimientos y desarrollen las habilidades y destrezas que les permitan el manejo instrumental de equipos como el GPS que es uno de los de instrumentos más utilizados en la práctica topográfica moderna.(Ayala Ramírez, 2012)

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CONCLUSIONES 

El sistema de GPS ha tenido gran evolución atreves de los años y ha sido de gran importancia y apoyo en el ámbito ingenieril

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El sistema de posicionamiento global ha tenido gran importancia en las ultimas décadas en el ámbito ingenieril y otros, teniendo gran relevancia en levantamientos topograficos, y calculo de pendientes en canales u otros que lo requieran.

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El GPS es un sistema de mucha importancia sin embargo presenta ciertos márgenes de error dependiendo del tipo que se emplee, siendo por ejemplo el GPS de mano uno con mayor margen de error y el diferencia uno de los mas precisos. Se debe considerar los factores que hacen mayor este error y tratar de disminuir este margen.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Anderson Ronaldo Carlos Giron. (2018). IMPORTANCIA DE LOS GPS EN LA INGENÍERIA CIVIL. PERU: universitaria

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Huerta E, Mangiaterra A, Noguera G.( 2005)GPS: posicionamiento satelital. Argentina: UNR Editora - Universidad Nacional de Rosario.

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La revolución GPS: Ubicación, ubicación, ubicación. INFOWEEK. 2009; 170: 17.

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Ing. Agr. Mario Bragachini. (2016). Sistemas de Posicionamiento. 2018, de RED AGRICULTURA DE PRESICION Sitio web: http://www.agriculturadeprecision.org/articulos/sistema-gps/SistemasPosicionamiento.asp

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Cristhian Guillermo. (2010). EVOLUCION DEL GPS. 2018, de TECNOLOGIA GPS Sitio web: http://cristhianguillermo.blogspot.com/2010/11/evolucion-del-gps.html 14

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