Curso Completo de Orientación, parte III
Gabriel
Cabrera - Experto
Aventurarse
Resúmenes
de los cursos de Gabriel
Cabrera en forma exclusiva para Aventurarse.com.
Advertencia
Este
material es sumamente sintético. Dentro de cada
tema se desarrollan brevememte algunos contenidos que
debe conocer un aventurero. Sobre estos contenidos se
deberá profundizar en la bibliografía
o cursos específicos. Estos contenidos se deben
conocer de un modo eminentemente práctico, pero
es conveniente conocer sus fundamentos teóricos
básicos, explicados en parte en este apunte y
con todo detalle en los cursos. El autor recomienda
imprimir estos resúmenes (serán tres entregas
consecutivas de Aventurarse.com) y coleccionarlos para
futura consulta. Para cualquier ampliación, escribir
a Gabriel Cabrera, gabriel.cabrera@aventurarse.com.
Las consultas serán respondidas con gusto.
Parte
I:
Corresponde
al módulo I del curso (ver Curso
Completo de Orientación, parte I):
I.
Introducción
II. Cartografía
III. Posición
IV.
Orientación
V. Navegación Terrestre
Parte
III:
VI.
GPS
Este
tema, por ser muy técnico, será desarrollado
brevemente en este resumen, ya que la modalidad de hacerlo
en modo texto no permite colocar los gráficos
y fórmulas matemáticas imprescindibles
que vemos en los cursos.
Los
manuales que acompañan a los navegadores GPS
dan mucha información muy útil, pero ni
explican en detalle los fundamentos del sistema, ni
dan información adicional muy útil más
allá 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 posición en el planeta (Latitud, Longitud
y Altitud geodésicas) con buena exactitud y precisión
(unos pocos metros).
El
sistema tiene tres componentes (segmentos) principales:
Constelación de satélites: 24 (+ 3 de
repuesto) satélites en órbita a unos 20200
kilómetros de altitud y período de 12
horas. Lo cual permite tener siempre una cobertura global
uniforme (unos 12 satélites en el hemisferio
celeste). Últimamente se han incorporado satélites
geoestacionarios a 33400 kilómetros de altitud,
que permiten mejorar la exactitud de determinados usuarios
(sistema WAAS).
Segmento de control: envía y recibe información
a y desde los satélites. Permite que estos conozcan
su posición exacta en las órbitas 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
según su finalidad. Estos no transmiten, sino
sólo reciben información desde los satélites,
permitiendo calcular la posición propia.
Básicamente,
cada satélite envía un mensaje característico
con información sobre su posición 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 satélite. Con 4 satélites se logran
despejar las cuatro incógnitas 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 geodésicas
o planas en el sistema de referencia que se le pida.
Recordemos (Módulo
1 de este curso) que los sistemas de regerencia
que usa la Argentina son el CAI69, el POSGAR 94, y la
proyección es Gauss-Krugger. Con estos debemos
configurar nuestro receptor GPS si queremos obtener
datos útiles para usar con nuestra cartografía.
2.
Tipos de receptores GPS
Los
navegadores comunes (aparatos cuyo precio va desde menos
de u$s100 a casi u$s1000, según 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 información
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 corrección
en forma pública 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 más
que los navegadores) llamados receptores GPS geodésicos,
que operan en doble frecuencia, miden fases y reciben
el código P (código preciso), pudiendo
alcanzar en forma absoluta exactitudes de unos cuantos
centímetros, y en forma diferencial corregirlas
a 1 o 2 mm.
3.
Exactitud y precisión del sistema
Debemos
diferenciar entre exactitud (grado de acercamiento a
la verdadera posición) y precisión (grado
de reproductibilidad o invariabilidad de los resultados).
El
sistema GPS posee influencias de tres tipos de error:
las que afectan a la medición de la distancia
a los satélites, que poseen una desviación
standard de unos 8 metros; las que afectan al cálculo
de las coordenadas, que dependen de la geometría
instantánea de la red visible de satélites;
y un error estadístico de muestreo, que depende
del número de satélites visibles y de
la cantidad de mediciones que se promedian, o lapso
de tiempo de la medición.
En
el primer tipo de error inciden diversos factores, como
el error del reloj del satélite, el error de
cálculo de la órbita, el error de rebotes
cerca de la antena, la refracción en la tropósfera
y la refracción en la ionósfera, entre
otros. Este último es el más grande, y
se resuelve con receptores de doble frecuencia (que
no es el caso de los navegadores comunes). Una regla
práctica 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 dilución de la precisión)
que antes daban los receptores como información
adicional al usuario (modelos Lowrance Eagle AccuNav
Sport, modelo Garmin III+), pero lamentablemente los
nuevos modelos ya no dan esta utilísima información,
probablmente porque la gran mayoría del público
usuario no posee los conocimientos técnicos para
aprovecharla. En cambio suelen suministrar un índice
de error al que denominan EPE (Estimated Position Error),
que aunque los manuales no lo explican, es el error
estadístico standard, que es el error al 50%
de confianza, lo cual no es en si mismo muy útil,
ya que normalmente los usuarios deberían regirse
por un nivel de confianza más serio, digamos
un 95%. Como regla práctica digamos que el error
al 95% de confianza es el triple del error estándar
al 50%, por lo cual una costumbre saludable sería
multiplicar el EPE por 3.
El
tercer tipo de error puede reducirse tomando más
cantidad de satélites y promediando lecturas
realizadas a lo largo del tiempo. Esto mejora la precisión
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 sistemático
debido a la ionósfera) se deben hacer promediaciones
de más de un día.
En
los cursos damos la explicación detallada de
todo esto, y llegamos a que el error en la distancia
a los satélites está teóricamente
dentro de unos 15 metros al 95% de confianza si se tienen
cuatro satélites bien distribuidos en el cielo.
Con 5 satélites esto baja a la mitad y con 7
a la sexta parte, pero suelen ser algo mayores (tal
vez el doble o más) si los satélites no
están bien distribuidos. La presición
submétrica (dentro del metro) se logra promediando
unas decenas de valores. Pero recordemos que mejorar
la exactitud (no sólo la precisión) requiere
promediar durante por lo menos más de un día.
El
todos los casos, el error en la altitud suele ser un
50% más que el de la posición horizontal.
4.
Funciones básicas del navegador GPS
El
sistema GPS, en rigor, sólo nos da la posición.
Es decir no mide rumbos, distancias, velocidades ni
tiempos de arribo. Pero puede calcularlos comparando
mediciones sucesivas de la posición mientras
nos desplazamos en el terreno.
4.1.
Posición horizontal: La suministra en forma de
coordenadas geodésicas o planas, pero también
puede hacerlo en forma polar, es decir dando dirección
y distancia a otro punto conocido. Estas direcciones
(así como la dirección instantánea
de marcha) la pueden suministrar como azimut verdadero,
dirección cartográfica o rumbo magnético.
Este último lo calcula en base a un modelo mundial
de declinación magnética, o a partir de
un dato de declinación introducido por el usuario.
4.2. Altitud: Parte de los navegadores dan la altitud
elipsoidal, que en la mayoría de los casos, si
no todos, no cambia aunque se cambie el datum, y se
refiere al elipsoide WGS84. En otros casos se calcula
empíricamente una altitud ortométrica
(sobre el nivel del mar) con un modelo de geoide que
tiene el receptor. Es el caso de la serie eTrex de Garmin.
Esta información 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 loxodrómicas (trazables como rectas
en una carta conforme), sino ortodrómicas (trazables
como arcos de círculo máximo sobre la
superficie terrestre (elipsoide).
4.4. Datos de navegación: velocidad, distancia,
rumbo, tiempo de arribo, brújula, 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. Además 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 proyectándolo.
Proyectar un WP es generarlo en la memoria indicando
dirección y distancia desde la propia posición
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 guía de
uno a otro en forma consecutiva.
5.3. Tracks: Conjunto de puntos no editables que se
marcan como una lína contínua en la pantalla
del navegador. Luego esta línea podrá
ser seguida por el usuario recorriéndola visualmente
sobre su trazado en pantalla, o bien convirtiéndo
el track en una ruta.
6.
Uso típico del GPS
Dado/s
un/os WP, se indica al navegador “navegar”
hacia el/los. Este nos da de inmediato la dirección
ortodrómica y la distancia al próximo
WP. Esta navegación se ve facilitada por distinto
tipo de pantallas. Estas pantallas varían según
el modelo, pero básicamente son:
Pantalla
numérica: coordenadas, hora, fecha, velocidad,
etc.
Pantalla de mapa: con o sin mapa de fondo, va mostrando
con un punto que se desplaza, la propia posición
y el trak recorrido.
Pantalla de brújula: muestra una brújula
en pantalla, que muestra los puntos cardinales, la dirección
instantánea de movimiento, y la dirección
ortodrómica al objetivo.
Pantalla de autopista: muestra una “calle”
por donde nos vamos desplazando, observándose
el tramo a recorrer o toda la ruta.
Pantalla de satélites: muestra la constelación
local visible e indica algunos números útiles
para calcular la precisión.
7.
Uso informático del GPS
Actualmente
existe software que puede utilizarse conectando el GPS
a la PC. Veremos esto en el capítulo siguiente.
VII.
Introducción al Moving Map
La
tecnología GPS no podía quedar fuera del
importante complemento que la informática está
dando a casi todas las actividades humanas. Los que
hace tiempo utilizan el GPS como herramienta de posicionamiento
y navegación ya saben lo útil que resulta
poseer como fondo de pantalla en el receptor el ya clásico
mapita como fondo del movimiento del punto de posición
y del cursor. Pero también reconocemos que dichos
mapas, vectoriales y de bastante escasa exactitud, tienen
sus limitaciones. La principal de ellas es que no son
editables, y más que agregarles waypoints no
es mucho lo que podemos mejorarlos.
La
tecnología de Mapa Movil (Moving Map) se ha encargado
de mejorar esto permitiéndonos trabajar en la
PC sobre cualquier tipo de imagen de mapa, carta, foto
aérea, imagen satelital, etc. del mismo modo
que lo hacemos en la pantalla del receptor GPS, pero
con notables ventajas, a saber:
En algunos software básicos 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 mayoría de las características
que listamos a continuación.
En los programas más 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 más funciones que el navegador
GPS, como editar los puntos de un track, hacer perfiles
verticales y de velocidad, medir áreas, adicionar
comentarios, etc.
Se comporta como un pequeño GIS (sistema de información
geográfica), permitiendo asociar a cualquier
posición geográfica 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 información 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 desplazándonos sobre el mapa en tiempo real
(que es lo que da al software el nombre genérico
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.
También medir distancias, escribir comentarios,
trazar elementos GPS, etc.
Tal
vez la parte más técnica del manejo de
estos programas sea comprender acabadamente la “calibración”
de las imágenes. En la jerga del Moving Map esto
significa georreferenciar la carta para que se sitúen
sobre ella los elementos relevados en el terreno.
Para
poder calibrar una imagen debemos conocer acabadamente
el concepto de Proyección cartográfica
y de Sistema de referencia geodésico, y no confundir
ambos conceptos. Ambas características de la
carta a introducir deben ser cargadas en el software
antes de calibrarla. Es por eso que conocer los contenidos
de nuestro Módulo
1 (Cartografía) es imprescindible.
En
nuestros cursos, en la clase de Moving Map hacemos una
calibración de una carta y volcamos información
que nos será de utilidad en la salida práctica.
A los alumnos les proveemos un CD con muchisimos programas
de diversas utilidades prácticas relacionadas
con la orientación, la navegación y el
GPS, contándose entre ellos versiones trial de
software de Moving Map.
El
software que utilizamos en los cursos es el ya bastante
popular OziExplorer. En el curso hacemos algunas demostraciones
y usos en el campo, pero no nos extendemos demasiado
porque el OziExplorer posee un estupendo tutorial que
permite dominar el programa en un corto período
de aprendizaje personal.
Nota:
Para más información sobre los contenidos
de estas entregas, comunicarse con el autor, Gabriel
Cabrera (gabriel.cabrera@aventurarse.com).
El programa de los cursos se encuentra en www.rah.com.ar/orient/curso.htm.
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