Diseño geodésico 1 I ciclo, 2014 José Francisco Valverde Calderón

Diseño geodésico 1I ciclo, 2014

José Francisco Valverde CalderónEmail: jose.valverde.calderon@una.crSitio web: www.jfvc.wordpress.com

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Diseño Geodésico II Ciclo, 2014

Profesor: José Francisco Valverde C

Capítulo 2Diseño y optimización de redes geodésicas globales

2.1 Red de vínculo con redes mundiales

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ICRFCeleste Fijo en el espacioInercial

ITRFTerrestre

Fijo en la Tierra (ECEF)Global

Jerarquía de los marcos de referencia geodésicos modernos:

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El Marco de Referencia Terrestre luego se densifica a los siguientes niveles:

• Continental (SIRGAS, EUREF, AFREF, …)• Nacional (CR05)• Regional / Local

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Redes globales y sus densificaciones

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Las modernas técnicas de la geodesia satelital permiten:•Estimar la posición y velocidades de estaciones terrestres (ITRF)•Estimar las coordenadas de las fuentes (ICRF)•Estimar los EOP (vínculo entre el ITRF y el ICRF)•Estimar parámetros atmosféricos (tropósfera, ionósfera)•Estimar parámetros para modelar el campo de gravedad•Estimas orbitas satelitales

Ejemplo de EOP

Tomado de: Combination method of different space geodesy techniques forEOP and terrestrial reference frame determination, Vojtech Stefka, 2011

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Parámetros de orientación de la Tierra

•Definición de constantes, modelos, parámetros, que sirven como base para la representación de la geometría de la superficie terrestre y su variación en el tiempo. •El sistema de referencia es la definición conceptual completa de cómo un sistema coordenado esta formado. Define el origen y la orientación de los planos fundamentales o ejes del sistema

•Las coordenadas de una estación son válidas para el instante de la definición.•Para cualquier otra época, se debe considerar el cambio en las posición de la estación•Esto se puede hacer al conocer la cinemática de la misma (velocidad) o trabajando con soluciones semanales

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Sistema de referencia

Tomado de: Featherstone, 1996

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Sistema de referencia

•Realización (materialización) de un sistema de referencia por un conjunto de entidades físicas y matemáticas •Por ejemplo, un conjunto de estaciones, con coordenadas geocéntricas tridimensionales X,Y,Z para una época fija y variaciones lineales en el tiempo, o sea velocidades constantes (dX/dt, dY/dt, dZ/dt).

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• Técnicas utilizadas para la definición del ICRF y el ITRF:

• VLBI.• SLR.• GNSS.• DORIS.

Marco de referencia

•El ITRS se define de la siguiente forma:•Origen: Geocéntrico•La longitud es el metro del SI•La orientación coincide con el Origen Internacional Convencional y un meridiano de referencia

•La realización del ITRS son los Marcos de Referencia Terrestre Internacional (ITRF).

•Con base a los resultados obtenidos mediante cada una de estas técnicas (que son independientes) se determinar los ITRF.•El mantenimiento de estos no es fácil, debido principalmente a las deformaciones que se presentan en la corteza terrestre. •Se requiere de varios modelos para considerar el comportamiento de las placas tectónicas, entre otros.

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Marco de referencia

•A la fecha se tienen calculados los ITRF88, ITRF89, ITRF90, ITRF91, ITRF93, ITRF94, ITRF96, ITRF97, ITRF00, ITRF05.•La realización del ITRF mas actual es el ITRF08.•Se espera que este año sea publicado el ITRF2013

•Mas información en: http://itrf.ign.fr/ITRF_solutions/2013/CFP-ITRF2013-27-03-2013.pdf

•El IGS produce su propio marco de referencia, llamado IGSXX. Estos son consistentes con la definición del ITRF, aunque solo se usan observaciones GPS

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“Call for participation” en el cálculo del ITRF2013

Marco de referencia

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Marco de referencia

Ejemplo de la red global propuesta al momento de efectuar el “Call for participation” para la formación del IGS

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Marco de referencia

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Marco de referencia

IGS08ETCGETCG

IGS08 Network

IGS08 Core NetworkConformada por 91

estaciones

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IGb08 Network

IGb08 Core NetworkConformada por 92

estaciones

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IGb08 y SIRGAS

Tomado de : http://www.sirgas.org/index.php?id=153, 2014Diseño Geodésico II Ciclo, 2014

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Estudio del efecto del terremoto del 05 de septiembre de 2012

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Estudio del efecto del terremoto del 05 de septiembre de 2012

Estaciones de referenciaDiseño Geodésico II Ciclo, 2014

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Información de las estaciones de la red del IGS

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•Formas en que se puede enlazar las observaciones a un marco de referencia preestablecido.•Es necesario conocer las coordenadas de la estación(es) de referencia en la época de medición.

•Velocidad derivada de un modelo+ coordenadas en la época de referencia.

•Solución multianual + velocidad (modelo lineal, variación secular).

•Soluciones semanales

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Enlace a marcos de referencia

•Las coordenadas de un punto son validas únicamente para t0.•Para el adecuado mantenimiento del MR, es necesario considerar la variación de las coordenadas de las estaciones de referencia•Este movimiento se debe principalmente a la deformación de la corteza terrestre•Se debe conocer la velocidad con que se mueve el punto de referencia.•El problema es mas complejo, por la posibilidad de que se den deformaciones locales y que estas no sean detectadas.•Por ellos, el “estado del arte” recomienda tener los marcos de referencia definidos por medio de EMC.•Cuando se hacen densificaciones de redes geodésicas enlazadas a redes nacionales, es necesario considerar la actualización de las coordenadas a la época de medición.

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•Se debe tener mediciones continuas durante por lo menos dos años, para determinar la velocidad de una estación para identificar variaciones estacionales en la posición de la estación.

•Hay dos posibilidades para conocer la velocidad de una estación:•Que sea determinada mediante un ajuste (combinación).•Que sea interpolada a partir de un modelo de velocidades.

•Los modelos de velocidades, son modelos 2D que describen la magnitud y la dirección de los movimientos de las placas tectónicas.•Por ejemplo, se tiene el modelo NNR NUVEL 1A, el cual es un modelo geológico-geofísico.•Uno de los problemas de este modelo es que omite zonas de deformación, como lo es la cordillera de los Andes.

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Modelo NNR NUVEL 1AETCGETCG

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Tomado de: http://www.dgfi.badw.de/fileadmin/platemotions/index.html

Modelo PB2002

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Modelo APKIM2005

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Tomado de: http://www.sirgas.org/index.php?id=54&L=

Modelo VeMosETCGETCG

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2.1.a.1 Velocidad derivada de un modelo+ coordenadas en la época de referencia

•Actualización de coordenadas en un ITRF•Información disponible:

, ,i iyy yy oX X t

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•Para tener las coordenadas de la estación en cualquier otra época t, distinta a la época actual, de aplica el siguiente modelo:

i i iyy yy o yy oX t X t X t t

2.1.a.2 Solución multianual + velocidad producto del ajuste

•La siguiente información es tomada del sitio web: http://www.sirgas.org/index.php?id=154•“La cinemática de la red SIRGAS-CON es determinada mediante el cálculo periódico de soluciones multianuales, las cuales resultan de la combinación de las soluciones semanales semilibres….”•“El cálculo de las soluciones multianuales incluye la identificación de discontinuidades en la posición de las estaciones, ya sea por eventos esporádicos como desplazamientos sísmicos o cambios en la configuración de las antenas…”•La solución multianual más reciente (SIR11P01) incluye todas las soluciones semanales calculadas por los centros de análisis SIRGAS entre 2000-01-02 y 2011-04-16, fecha en que se empezó a utilizar el IGS08.

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•“La solución SIR11P01 provee coordenadas y velocidades constantes para 230 estaciones referidas al ITRF2008, época 2005.0•La precisión final de las coordenadas se ha estimado en: posición horizontal: ±1,0 mm; posición vertical: ±2,4 mm; velocidad horizontal: ±0,7 mm/a; velocidad vertical: ±1,1 mm/a”

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Solución multianual, SIRGASETCGETCG

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Solución multianual, SIRGAS

Coordenadas, estaciones ITRFETCGETCG

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Coordenadas, estaciones ITRFETCGETCG

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2.1.a.3 Soluciones semanales

Solución multianual Soluciones semanales

Tomado de: Alternative definitions and realizations of the terrestrial reference frames, Drewes et al, 2010

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Con velocidad de la solución multianual Soluciones semanales

Estación MANA

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“Problemas” por eventos sísmicos de magnitud importante

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No se sabe que paso en enero de 2012

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ORBGEN, salto por cambio marco de referencia

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2.2 Evaluación de la exactitud

2.3 Software especial de procesamiento

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2.2 Evaluación de la exactitud•El enlace a redes globales tiene la característica de que, dependiendo de la disponibilidad de estaciones, se podría requerir de sesiones de medición muy prolongadas, en caso de que no hayan estaciones próxima al sitio de trabajo.

•Esto además implica consideraciones adicionales en el procesamiento de los datos y el modelado

de errores.

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ETCGETCG•En el posicionamiento diferencial se ajustan primero las líneas de base que conforman la red.•Esto quiere decir que se obtiene con una muy alta precisión la distancia entre las estaciones.•Sin embargo, las coordenadas de las estaciones son desconocidas.

Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFI

• Referenciación de una red geodésica a determinado marco de referencia

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•La determinación de las coordenadas de los puntos requiere que se incluyan como parámetros conocidos de las coordenadas de las estaciones de referencia. •Esto implica introducir o definir un marco de referencia•Las coordenadas de referencia no necesariamente reflejan la geometría de la red que se esta procesando.

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Coordenadas de referencia libres de error

Coordenadas de referencia con incertidumbre

Alineamiento mediante traslaciones y rotaciones

•Cambios en las líneas base son mayores que la precisión del ajuste•Las coordenadas de referencia no cambian.

•Cambios en las líneas de base de igual (o menor) magnitud que la precisión del ajuste •Cambios en las coordenadas de referencia menores que sus precisiones

•Cambios mínimos en las líneas de base •Cambios en las coordenadas de referencia mayores que sus precisiones

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•La determinación precisa de coordenadas con GPS requiere del uso de estaciones de referencia con coordenadas conocidas, calculadas de manera independiente a la red que estamos trabajando•El ajuste de observaciones GPS con respecto a las coordenadas de referencia siempre genera algún tipo de deformación a la red semilibre•Dicha deformación no puede evitarse y por tanto, se deben incluir las coordenadas de referencia en su ajuste de forma tal que sea mínima•Se busca que la red semilibre se deforme lo menos posible, pero que a su vez sea una densificación del marco de referencia•En general se recomienda incluir las coordenadas de referencia con un peso equivalente al inverso al cuadrado de su precisión•De esta forma, las coordenadas de las estaciones de referencia pueden cambiar hasta 2 mm dentro del ajuste de la nueva red

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Solución semilibre

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Solución con el marco de referencia introducido

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Panel de Bernese para introducir el marco de referencia

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1.Las técnicas de medición GNSS son muy precisas y pueden detectar cambios mínimos (mm) en las estaciones terrestres2.La precisión de las coordenadas de las estaciones de referencia usadas en posicionamiento GNSS debe ser consistente con la precisión de las técnicas de medición (~ mm)3.Las coordenadas de las estaciones sobre la superficie terrestre se ven afectadas por fenómenos seculares (p.ej. tectónica de placas), estacionales (p.ej. períodos de lluvia) y esporádicos (p.ej. terremotos), que las modifican en cantidades mayores que el nivel de precisión requerido4.Dependiendo de la precisión requerida en las coordenadas finales de los puntos nuevos, debe corregirse (modelarse) la mayor cantidad posible de los errores (efectos) que afectan la componente vertical5.En redes de referencia deben tenerse en cuenta todos estos errores (efectos)

Consideraciones finales

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6.Las coordenadas de las estaciones de referencia deben estar en el mismo marco de referencia en el que se calculan las órbitas satelitales.

7.En general, es necesario•Uso de correcciones absolutas a las variaciones de los centros de fase de las antenas GNSS (valores publicados por el IGS)•Uso de efemérides precisas (publicadas por el IGS)•Uso de estaciones de referencia con coordenadas geocéntricas de máxima calidad (ITRF, SIRGAS, densificaciones nacionales de SIRGAS)•Preferiblemente, las estaciones de referencia deben ser de operación continua; de modo que sus coordenadas semanales puedan calcularse directamente de las mediciones.

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8.Pueden utilizarse velocidades constantes solamente si las coordenadas semanales de las estaciones de referencia no son conocidas**. 9.Mientras más pequeña sea la cobertura superficial de una red GNSS, más vulnerables son sus coordenadas a los errores radiales asociados a la técnica de medición (alturas menos confiables)10.El procesamiento de redes de referencia debe ser redundante para identificar errores aislados y verificar la calidad de los resultados12.El procesamiento de las redes de referencia debe seguir estándares y convenciones actuales (modernos, de vanguardia)

Tomado de: Ajuste de redes GPS, documento elaborado por Laura Sanchez, DGFIDiseño Geodésico II Ciclo, 2014

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• Fuentes de error:•Error de los relojes receptores•Error en los relojes de los satélites•Errores en las efemérides satelitales •Efecto troposférico •Efecto ionosférico•Variaciones del centro de fase de las antenas GNSS •Configuración de las antenas (radomes) •Efecto multicamino (multipath) •Error en las coordenadas del punto base •Efectos físicos (cargas atmosférica, oceánica e hidrológica, procesos geodinámicos, etc.)

•Programas científicos:• Bernese •Gamit-Globk•Gipsy-Oasis• Catref

•Aplicaciones on-line (Internet):•Opus (Relativo)• Auspos (Relativo)• CSRS (PPP)• APPS (PPP)

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Centro de análisis Software Pais

CODE Bernese 5.3, desarrollado en AIUB Suiza

ESA NAPEOS v 3.6 UE

GOP Bernese v5.0 (+modif), desarrollado en AIUB Republica Checa

GFZ EPOS.P8 desarrollados en GFZ Alemania

GRG GNIS (cálculo de orbitas y NEQ), Dynamo para combinaciones Francia

JPL GIPSY/OASIS-II Version 6.1.2 desarrollado por el JPL USA

MIT Gamit 10.32, Globk 5.12 desarrollados en MIT USA

NOAA Arc (MIT), Orb (OSU), Pages (NOAA), gpscom USA

EMR GIPSY/OASISII v5, desarrollado por JPL Canada

SIO Gamit 10.20, Globk 5.08 desarrollados en MIT USA

USNO Bernese v5.0, desarrollado en AIUB USA

WHU PANDA,desarrollado en WHU China

Software usado por los Centros de análisis del IGSETCGETCG

Diseño geodésico 1 I ciclo, 2014 José Francisco Valverde Calderón

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