CARTOGRAFIA III
Parte
III:
VI. GPS
Este tema, por ser muy t�cnico, ser� desarrollado
brevemente en este resumen, ya que la modalidad de hacerlo en
modo texto no permite colocar los gr�ficos y f�rmulas
matem�ticas imprescindibles que vemos en los
cursos.
Los manuales que acompa�an a los navegadores GPS dan
mucha informaci�n muy �til, pero ni explican en detalle los
fundamentos del sistema, ni dan informaci�n adicional muy �til
m�s all� que el mero manejo del navegador GPS. Esta falencia
hace que el usuario se forme preconceptos erroneos sobre el
tema.
1. Principio de funcionamiento
El GPS (Global Positioning System = Sistema de
Posicionamiento Mundial) es un sistema que permite al usuario
conocer su posici�n en el planeta (Latitud, Longitud y Altitud
geod�sicas) con buena exactitud y precisi�n (unos pocos
metros).
El sistema tiene tres componentes (segmentos)
principales:
Constelaci�n de sat�lites: 24 (+ 3 de repuesto)
sat�lites en �rbita a unos 20200 kil�metros de altitud y
per�odo de 12 horas. Lo cual permite tener siempre una
cobertura global uniforme (unos 12 sat�lites en el
hemisferio celeste). �ltimamente se han incorporado
sat�lites geoestacionarios a 33400 kil�metros de altitud,
que permiten mejorar la exactitud de determinados usuarios
(sistema WAAS).
Segmento de control: env�a y recibe informaci�n a
y desde los sat�lites. Permite que estos conozcan su
posici�n exacta en las �rbitas y corregir errores. El
sistema de control posee una estacion maestra en USA y 11
estaciones de posicionamiento alrededor del
mundo.
Segmento de usuarios: Los usuarios particulares
poseen un receptor comercial, que puede ser de diferentes
tipos seg�n su finalidad. Estos no transmiten, sino s�lo
reciben informaci�n desde los sat�lites, permitiendo
calcular la posici�n propia.
B�sicamente, cada sat�lite env�a un mensaje
caracter�stico con informaci�n sobre su posici�n y otros datos
de utilidad, en dos frecuencias de radio. El receptor capta
estos mensajes y genera a su vez una copia interna del mensaje
recibido. El desfasaje de tiempo entre ambos mensajes permite
al receptor calcular la distancia a cada sat�lite. Con 4
sat�lites se logran despejar las cuatro inc�gnitas del
receptor: las coordenadas cartesianas NAVSTAR, que son las
distancias perpendiculares al plano del Ecuador, al Plano del
meridiano de Greenwich y a un tercer plano perpendicular a los
anteriores, y el error del reloj interno del receptor. Luego
un software especial permite al receptor convertir las
coordenadas cartesianas NAVSTAR a cordenadas geod�sicas o
planas en el sistema de referencia que se le pida. Recordemos
(M�dulo
1 de este curso) que los sistemas de regerencia que
usa la Argentina son el CAI69, el POSGAR 94, y la proyecci�n
es Gauss-Krugger. Con estos debemos configurar nuestro
receptor GPS si queremos obtener datos �tiles para usar con
nuestra cartograf�a.
2. Tipos de receptores GPS
Los navegadores comunes (aparatos cuyo precio va desde
menos de u$s100 a casi u$s1000, seg�n los modelos y funciones)
trabajan con el codigo C/A y en una sola frecuencia en modo
absoluto, lo que permite tener exactitudes de una a dos
decenas de metros.
Algunos de estos aparatos permiten recibir por radio
informaci�n que proviene de otro receptor cercano (GPS
diferencial o DGPS), lo cual mejora la exactitud al orden del
metro. Existen estaciones receptoras fijas (se denominan
estaciones GPS permanentes) que transmiten estos mensajes de
correcci�n en forma p�blica o a suscriptores privados, o bien
la archivan para que el usuario la compre y corrija
posteriormente sus observaciones de campo.
Finalmente, existen aparatos (que cuestan de 50 a 100
veces m�s que los navegadores) llamados receptores GPS
geod�sicos, que operan en doble frecuencia, miden fases y
reciben el c�digo P (c�digo preciso), pudiendo alcanzar en
forma absoluta exactitudes de unos cuantos cent�metros, y en
forma diferencial corregirlas a 1 o 2 mm.
3. Exactitud y precisi�n del sistema
Debemos diferenciar entre exactitud (grado de
acercamiento a la verdadera posici�n) y precisi�n (grado de
reproductibilidad o invariabilidad de los
resultados).
El sistema GPS posee influencias de tres tipos de
error: las que afectan a la medici�n de la distancia a los
sat�lites, que poseen una desviaci�n standard de unos 8
metros; las que afectan al c�lculo de las coordenadas, que
dependen de la geometr�a instant�nea de la red visible de
sat�lites; y un error estad�stico de muestreo, que depende del
n�mero de sat�lites visibles y de la cantidad de mediciones
que se promedian, o lapso de tiempo de la medici�n.
En el primer tipo de error inciden diversos factores,
como el error del reloj del sat�lite, el error de c�lculo de
la �rbita, el error de rebotes cerca de la antena, la
refracci�n en la trop�sfera y la refracci�n en la ion�sfera,
entre otros. Este �ltimo es el m�s grande, y se resuelve con
receptores de doble frecuencia (que no es el caso de los
navegadores comunes). Una regla pr�ctica es tomar las
mediciones de noche, pudiendo lograrse reducir el error casi a
la mitad.
El segundo tipo de error se puede calcular conociendo
el DOP (factor de diluci�n de la precisi�n) que antes daban
los receptores como informaci�n adicional al usuario (modelos
Lowrance Eagle AccuNav Sport, modelo Garmin III+), pero
lamentablemente los nuevos modelos ya no dan esta util�sima
informaci�n, probablmente porque la gran mayor�a del p�blico
usuario no posee los conocimientos t�cnicos para aprovecharla.
En cambio suelen suministrar un �ndice de error al que
denominan EPE (Estimated Position Error), que aunque los
manuales no lo explican, es el error estad�stico standard, que
es el error al 50% de confianza, lo cual no es en si mismo muy
�til, ya que normalmente los usuarios deber�an regirse por un
nivel de confianza m�s serio, digamos un 95%. Como regla
pr�ctica digamos que el error al 95% de confianza es el triple
del error est�ndar al 50%, por lo cual una costumbre saludable
ser�a multiplicar el EPE por 3.
El tercer tipo de error puede reducirse tomando m�s
cantidad de sat�lites y promediando lecturas realizadas a lo
largo del tiempo. Esto mejora la precisi�n pero no la
exactitud si las mediciones se hacen en forma continua a lo
largo de unas horas. Para mejorar la exactitud (debida
principalmente a un error sistem�tico debido a la ion�sfera)
se deben hacer promediaciones de m�s de un d�a.
En los cursos damos la explicaci�n detallada de todo
esto, y llegamos a que el error en la distancia a los
sat�lites est� te�ricamente dentro de unos 15 metros al 95% de
confianza si se tienen cuatro sat�lites bien distribuidos en
el cielo. Con 5 sat�lites esto baja a la mitad y con 7 a la
sexta parte, pero suelen ser algo mayores (tal vez el doble o
m�s) si los sat�lites no est�n bien distribuidos. La presici�n
subm�trica (dentro del metro) se logra promediando unas
decenas de valores. Pero recordemos que mejorar la exactitud
(no s�lo la precisi�n) requiere promediar durante por lo menos
m�s de un d�a.
El todos los casos, el error en la altitud suele ser un
50% m�s que el de la posici�n horizontal.
4. Funciones b�sicas del navegador
GPS
El sistema GPS, en rigor, s�lo nos da la posici�n. Es
decir no mide rumbos, distancias, velocidades ni tiempos de
arribo. Pero puede calcularlos comparando mediciones sucesivas
de la posici�n mientras nos desplazamos en el
terreno.
4.1.
Posici�n horizontal: La suministra en forma de coordenadas
geod�sicas o planas, pero tambi�n puede hacerlo en forma
polar, es decir dando direcci�n y distancia a otro punto
conocido. Estas direcciones (as� como la direcci�n
instant�nea de marcha) la pueden suministrar como azimut
verdadero, direcci�n cartogr�fica o rumbo magn�tico. Este
�ltimo lo calcula en base a un modelo mundial de declinaci�n
magn�tica, o a partir de un dato de declinaci�n introducido
por el usuario.
4.2.
Altitud: Parte de los navegadores dan la altitud elipsoidal,
que en la mayor�a de los casos, si no todos, no cambia
aunque se cambie el datum, y se refiere al elipsoide WGS84.
En otros casos se calcula emp�ricamente una altitud
ortom�trica (sobre el nivel del mar) con un modelo de geoide
que tiene el receptor. Es el caso de la serie eTrex de
Garmin. Esta informaci�n no suele ser suministrada en los
manuales.
4.3.
Direcciones: Es particularmente interesante saber (los
manuales no lo dicen) que las direcciones que da el GPS no
son loxodr�micas (trazables como rectas en una carta
conforme), sino ortodr�micas (trazables como arcos de
c�rculo m�ximo sobre la superficie terrestre
(elipsoide).
4.4.
Datos de navegaci�n: velocidad, distancia, rumbo, tiempo de
arribo, br�jula, etc. Dependen de los modelos.
4.5.
Mapa de fondo en la pantalla. En algunos casos es
actualizable por Internet.
4.6.
Hora y calentario. Adem�s algunos modelos dan horario de
salida y puesta del sol y de la
luna.
5. Elementos de trabajo del GPS
El GPS elabora y explota diversos
elementos:
5.1.
Waypoints (WP): son puntos de coordenadas conocidas. Se
pueden cargar en el navegador ya sea por haber relevado el
punto en el terreno, introducirlo por el teclado o desde
software a partir de una dato obtenido externamente (de la
carta, de informes, etc.), o proyect�ndolo. Proyectar un WP
es generarlo en la memoria indicando direcci�n y distancia
desde la propia posici�n o desde otro WP existente. Los
navegadores poseen memoria para guardar desde pocas centenas
a varios millares de waypoints.
5.2.
Rutas: Es un conjunto de waypoints arreglados en una
poligonal de modo que el navegador gu�a de uno a otro en
forma consecutiva.
5.3.
Tracks: Conjunto de puntos no editables que se marcan como
una l�na cont�nua en la pantalla del navegador. Luego esta
l�nea podr� ser seguida por el usuario recorri�ndola
visualmente sobre su trazado en pantalla, o bien
convirti�ndo el track en una ruta.
6. Uso t�pico del GPS
Dado/s un/os WP, se indica al navegador �navegar� hacia
el/los. Este nos da de inmediato la direcci�n ortodr�mica y la
distancia al pr�ximo WP. Esta navegaci�n se ve facilitada por
distinto tipo de pantallas. Estas pantallas var�an seg�n el
modelo, pero b�sicamente son:
Pantalla
num�rica: coordenadas, hora, fecha, velocidad,
etc.
Pantalla de mapa: con o sin mapa de fondo, va
mostrando con un punto que se desplaza, la propia posici�n y
el trak recorrido.
Pantalla de br�jula: muestra una br�jula en
pantalla, que muestra los puntos cardinales, la direcci�n
instant�nea de movimiento, y la direcci�n ortodr�mica al
objetivo.
Pantalla de autopista: muestra una �calle� por
donde nos vamos desplazando, observ�ndose el tramo a
recorrer o toda la ruta.
Pantalla de sat�lites: muestra la constelaci�n
local visible e indica algunos n�meros �tiles para calcular
la precisi�n.
7. Uso inform�tico del GPS
Actualmente existe software que puede utilizarse
conectando el GPS a la PC. Veremos esto en el cap�tulo
siguiente.
VII. Introducci�n al Moving Map
La tecnolog�a GPS no pod�a quedar fuera del importante
complemento que la inform�tica est� dando a casi todas las
actividades humanas. Los que hace tiempo utilizan el GPS como
herramienta de posicionamiento y navegaci�n ya saben lo �til
que resulta poseer como fondo de pantalla en el receptor el ya
cl�sico mapita como fondo del movimiento del punto de posici�n
y del cursor. Pero tambi�n reconocemos que dichos mapas,
vectoriales y de bastante escasa exactitud, tienen sus
limitaciones. La principal de ellas es que no son editables, y
m�s que agregarles waypoints no es mucho lo que podemos
mejorarlos.
La tecnolog�a de Mapa Movil (Moving Map) se ha
encargado de mejorar esto permiti�ndonos trabajar en la PC
sobre cualquier tipo de imagen de mapa, carta, foto a�rea,
imagen satelital, etc. del mismo modo que lo hacemos en la
pantalla del receptor GPS, pero con notables ventajas, a
saber:
En
algunos software b�sicos la imagen no puede editarse (de
hecho en el MapSource la imagen es la misma de los mapas de
fondo de los navegadores Garmin), pero se pueden aprovechar
la mayor�a de las caracter�sticas que listamos a
continuaci�n.
En
los programas m�s conocidos (como TrackMaker, Fugawi y
OziExplorer) la imagen puede ser cualquiera. Para eso basta
con escanearla y georreferenciarla.
No
hay limitaciones de memoria para guardar waypoints, tracks,
rutas, etc.
Se
puede adicionar desde la PC cualquiera de esos elementos,
incluso dibujarlos �a mano� con el mouse.
Permite muchas m�s funciones que el navegador
GPS, como editar los puntos de un track, hacer perfiles
verticales y de velocidad, medir �reas, adicionar
comentarios, etc.
Se
comporta como un peque�o GIS (sistema de informaci�n
geogr�fica), permitiendo asociar a cualquier posici�n
geogr�fica cualquier tipo de archivo (documentos Word,
Excel, fotos, audio, links, bases de datos,
etc.).
Al
conectar el navegador GPS a la PC permite hacer backup de
informaci�n de campo desde el GPS y clasificarla en la PC en
carpetas y archivos diferentes.
Si
se navega conectado (con el GPS y la PC) podemos ir
desplaz�ndonos sobre el mapa en tiempo real (que es lo que
da al software el nombre gen�rico de Moving
Map).
Se
puede prescindir del uso del GPS, �navegando� sobre la carta
con el mouse y obteniendo directamente la lectura de las
coordenadas de cualquier punto de la imagen, basta con
desplazar sobre ella el mouse. Tambi�n medir distancias,
escribir comentarios, trazar elementos GPS,
etc.
Tal vez la parte m�s t�cnica del manejo de estos
programas sea comprender acabadamente la �calibraci�n� de las
im�genes. En la jerga del Moving Map esto significa
georreferenciar la carta para que se sit�en sobre ella los
elementos relevados en el terreno.
Para poder calibrar una imagen debemos conocer
acabadamente el concepto de Proyecci�n cartogr�fica y de
Sistema de referencia geod�sico, y no confundir ambos
conceptos. Ambas caracter�sticas de la carta a introducir
deben ser cargadas en el software antes de calibrarla.