Desde que el 4 de octubre de 1957 se puso en
órbita el Sputnik I comenzó una nueva era para
muchas áreas de conocimiento y, entre ellas, las
Ciencias Geodésicas y del posicionamiento en
general.
Antes de la Geodesia Espacial, el
posicionamiento “absoluto” de un punto de la
superficie terrestre, sólo era posible a través de
las observaciones astronómicas (Astronomía de
Posición). Así el proceso geodésico-topográfico
pasaba por llevar a cabo una serie de metodologías
que permitían dotar de coordenadas a todos los
puntos:
-
A través de la observación
astronómica se determina la Latitud y Longitud
de un punto, así como el acimut de una dirección
(teodolitos ópticos de gran precisión y
reloj).
-
Se medían bases para dar
escala al trabajo (hilos invar, reglas
bimetálicas...)
-
Se hacían triangulaciones
para configurar una red de puntos con
coordenadas conocidas (teodolitos).
-
Poligonales, midiendo ángulos
y distancias.
-
Radiaciones
-
Intersecciones directas,
inversas y mixtas, midiendo ángulos y a veces
distancias.
-
Nivelaciones geométricas y
trigonométricas, midiendo incrementos de
alturas.
Cada método se apoyaba en puntos de
coordenadas conocidas, salvo la observación
astronómica en que la referencia era espacial, y
se basaba en el conocimiento de la posición de los
astros.
LA IDEA
Por analogía a las metodologías descritas, la
idea bien podía ser sustituir a los astros por
objetos lanzados por el hombre (artificiales), y
que se conozca su posición en cada instante
(conocimiento de la órbita en un sistema de
referencia: x = x(t) y = y(t) z = z(t)), y así en
un instante concreto observar desde un punto (P)
las distancias y / o direcciones a varios objetos
y, por intersecciones, determinar la posición del
punto (P) en el mismo sistema de referencia en el
que se conoce la posición de los objetos. Si se
consiguen esas medidas de dirección y distancia,
también se podría plantear el problema inverso:
Conocida la posición de puntos de Tierra P1, P2,
P3, se determina la posición del objeto (P) en
sucesivos instantes, y por tanto su órbita.
Al trabajar en sistemas de referencia para toda
la Tierra, se hacen necesarios desarrollos y
aplicaciones que hasta ahora no lo habían sido,
salvo en las formulaciones teóricas pero con poca
aplicación práctica. Así se hablará de:
-
Geodesia Global (para toda la
Tierra).
-
Geodesia Tridimensional (se
determinan de forma conjunta las tres
coordenadas).
-
Necesidad del conocimiento
del campo gravitatorio terrestre y del centro de
masas de la Tierra.
-
Medida del tiempo con más
precisión.
-
Geodésica Tetradimensional
(las órbitas son función del tiempo y por tanto
es una coordenada más.
EL INICIO
Como ya se ha dicho, el lanzamiento el 4 de
octubre de 1957 del primer satélite artificial, el
Sputnik I abrió las puertas, entre otras muchas
más aplicaciones, de la Geodesia Espacial. Se
comenzó analizando el problema inverso, es decir,
a partir de la recepción en Tierra (varios puntos)
de una portadora de 20MHz que emitía el satélite,
se determinó la órbita del satélite. Pronto el
Doctor Clure invirtió el problema (problema
directo) y así se inició una nueva etapa, no sólo
de la Geodesia, sino del posicionamiento en
general.
Este primer satélite, lanzado por la URSS, era
una esfera de 0,58 m. de diámetro y un peso de
83,6 kg. Estuvo operativo sólo tres semanas en una
órbita de 65,1º de inclinación, y de 228 km. al
Perigeo y 947 km. al Apogeo.
LAS MEDIDAS
En la Geodesia Espacial la magnitud fundamental
es el tiempo, y así la altísima precisión de los
relojes ha hecho posible todo este desarrollo.
No ha de perderse de vista que estamos
suponiendo puntos fijos en el espacio en un
determinado instante, objetos que están en
movimiento a gran velocidad y, por otro lado, la
alta velocidad a la que viaja la radiación
electromagnética, hace que cualquier error o
incertidumbre en la medida del tiempo significaría
un gran error en el posicionamiento.
Algunos datos sobre los relojes utilizados
son:
-Oscilador de Cristal de
Cuarzo: su estabilidad por día
(Df/f) es de 10-9 , y el tiempo necesario para
perder un segundo, del orden de (T=30 años).
| El de Rubidio |
|
| El de Cesio |
|
| El Máser de Hidrógeno |
|
Se describen de manera resumida las
metodologías utilizadas, en las que se resalta la
magnitud más significativa:
Direcciones.- Las primeras
medidas de direcciones se realizaron con cámaras
balísticas astronómicas y orbitales, adosadas a
los anteojos astronómicos, con montura acimutal o
ecuatorial. Se fotografía el satélite sobre fondo
de estrellas de coordenadas conocidas (ascensión
recta ( a ) y declinación (d), y se miden
coordenadas x, y, del satélite en la placa
respecto las estrellas.
Telemetría Láser.- Un láser
con base terrestre utiliza el satélite como
blanco. Se evalúa el tiempo que tarda la señal en
ida y vuelta y se calcula la distancia.
Método de Doppler.- Se
obtienen diferencias de frecuencias de recepción
en diversas posiciones del satélite. Se deducen
diferencias de distancias (hiperboloide de
revolución), se ajustan y se obtienen coordenadas
geocéntricas tridimensionales del receptor.
Altímetro Radar.- El satélite
lleva un altímetro de radar que permite determinar
su altura sobre el nivel del mar.
Interferometría de Bases de gran
longitud.- Se observa radiofuentes
galácticas o extragalácticas, se mide el retardo
de la señal en los centros radioeléctricos de los
radiotelescopios.
Medida de Seudodistancias.- El
observable es el tiempo que permite correlar una
réplica del código generado por el receptor con la
señal procedente del satélite
Medida de Fase.- Se controla
en fase una emisión radioeléctrica hecha desde
satélite, con frecuencia conocida y desde posición
conocida
EL DESARROLLO
A continuación se describe un resumen de los
satélites, con sus características más
importantes, que han contribuido al desarrollo de
la Geodesia Espacial.
LA ERA DEL GPS
Las misiones y programas descritos hasta ahora
han tenido, y tienen, aplicaciones en el ámbito de
las ciencias geodésicas y de navegación, pero para
usuarios particulares, fue el GPS el sistema del
posicionamiento que ha universalizado su
aplicación a multitud de campos y áreas del
conocimiento.
Siguiendo la misma estructura que en las
misiones anteriores, se dan las características
más importantes de los satélites NAUSTAR
(Satélites de Navegación, Cronometría y
Distanciometría), que constituyen el sistema de
Posicionamiento Global (GPS), y las de los
Satélites COSMOS y GLONASS que constituyen el
sistema de posicionamiento GLONASS.
LA ACTUALIDAD
En la actualidad, el sistema de mayor precisión
en el posicionamiento en el espacio europeo, es
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay
Service). Consiste el sistema en establecer un
seguimiento de control y proceso de datos de GPS y
GLONASS, de tal manera que se puedan generar
correcciones a la información suministrada por los
satélites, tanto en la órbita como en el estado de
los relojes y la ionosfera. Se utilizan los
satélites geoestacionarios para transmitir las
correcciones en señal compatible con el
sistema.
Así la estructura del sistema será:
-
SATÉLITES:
GPS + GLONASS +
3 GEO (INMARSAT: AOR-E, 10R + ARTEMIS)
-
ESTACIONES DE MEDIDA
RIMS:
Recogen los datos GPS – GLONAS - GEO, y
los envían a la estación de control.
-
ESTACIONES DE CONTROL Y
PROCESO DE DATOS CPF – MCC:
Calculan
correcciones a las señales recibidas y dan
estado del reloj, órbitas y modelo de ionosfera,
que envían a los centros de transmisión.
-
ESTACIONES NLES:
Reciben
esas señales y las envían a los satélites
geoestacionarios.
-
GEO:
Distribuyen la señal
compatible con GPS, enviando: correcciones
diferencias, señal de navegación (similar a GPS)
e integridad (fiabilidad).
EL
FUTURO
Muchos artículos se han escrito y muchas
conferencias se han impartido, sobre GALILEO, y
aún hoy tenemos bastantes dudas sobre el que será
el sistema de Navegación o mejor, “de
posicionamiento” que tendremos en los próximos
años.
Las características reseñables del sistema
son:
Desde el punto de vista en términos de calidad,
la particularidad de GALILEO es que se consiguen
la precisión, integridad, continuidad y
disponibilidad que requieren aplicaciones de tan
alta resolución, como las que necesita la
aviación.
En términos de medida de fase la gran
aportación de GALILEO es el método de
determinación de ambigüedades, que a través de la
Técnica TCAR, permite mejorar de manera
importante, lo conseguido por GPS o GLONASS, que
no consiguen con una sola cuenta, garantizar los
indicadores de calidad antes mencionados
(integridad, continuidad y disponibilidad).
La Técnica TCAR de resolución de ambigüedades,
fue creada por Harris en 1996-1997, y asumida por
ESA para GALILEO.
Se fundamenta en la combinación de tres medidas
de fase de las portadoras (l1, l2, l4)  en tres pasos conducen a
la resolución final de ambigüedades sobre una de
ellas.
Se discretiza el proceso en los siguientes
pasos:
a) Mediante
combinación de  se genera una señal de gran
longitud de onda 
Se formula con “dobles
diferencias” y sin tener en cuenta los efectos
residuales de la ionosfera y los errores
causados por multicamino, se calcula la primera
ambigüedad.
b) Mediante combinación
de se genera una señal de
 Por doble diferencia
se calcula la ambigüedad.
c) Se calcula con la
frecuencia  (Ver
gráfico).
La
mejora de la Técnica TCAR se consigue mediante el
TCAR integrado que, manteniendo el proceso
anterior, utiliza todas las observaciones
disponibles y considera el error ionosférico
dentro del filtro de resolución de ambigüedades,
es decir:
a) Calcula
N12 a partir de todos los datos (3 fases y 3
pseudodistancias) con un ajuste mínimos
cuadrados.
b) Se
calcula N14 con N12 anterior por mínimos
cuadrados, reduciendo los grados de
libertad.
c) Se
resuelve N1
Con TCAR integrado se consiguen precisiones
centimétricas instantáneas, es decir, con una sola
época y en baselíneas largas. Las experiencias
realizadas garantizan una probabilidad del cien
por cien en encontrar las ambigüedades correctas
con una sola época, hasta baselíneas de 15 km.
Puede resumirse que GALILEO con TCAR es muy
probable que constituya el estándar mundial para
el posicionamiento de alta precisión.
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