Medición de puntos GPS por el método estático con equipo diferencial. Una experiencia didáctica en el Instituto Pedagógico de Maturín

Fundamentación de la experiencia

El GPS se define como un sistema global de navegación por satélites (GNSS) que permite fijar a escala mundial la posición de cualquier objeto sobre la superficie terrestre (Montes de Oca y Yelicich, 201 2; Ayala y Hasbun, 2012). Este sistema fue creado en el año 1973 por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares; en la actualidad, el uso para la comunidad civil ha crecido y con ello las aplicaciones y los fabricantes, por lo cual las nuevas técnicas diferenciales DGPS son alternativas para mejorar la precisión en las posiciones obtenidas (Sánchez, 2010).

Según Pozo, Ribeiro, García, García, Guinea y Sandoval (2010), el DGPS consiste en proporcionar a los receptores, correcciones de los datos recibidos de los satélites, con el objetivo de obtener una mayor precisión en la posición calculada (post-proceso). Se concibió fundamentalmente debido a la introducción de la degradación de la señal de manera intencional por los creadores del sistema (disponibilidad selectiva, o SA en su acrónimo inglés); el primer uso civil fue realizado por la Organización Marítima Internacional.

El concepto básico del sistema de posicionamiento global es la trilaterización de los satélites, que es un método para calcular las posiciones relativas de los objetos a partir de la geometría de triángulos (Muñoz, 2011); los sistemas de navegación por satélites tienen una estructura definida que se divide en tres segmentos: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento de usuarios (Pozo, Ribeiro, García, García, Guinea y Sandoval, 2010). El espacial está compuesto por los satélites, estos orbitan alrededor de la Tierra en distintos planos orbitales, este segmento consta de 24 satélites, con tres de reserva en seis planos orbitales ubicados a una altura promedio de 20 200 km en la frecuencia de 1602,2 y 1615 Mhz (El-Rabbany, 2006).

Una de las características de estos satélites es que están equipados con un reloj atómico, que permite calcular la distancia por medio de la diferencia de tiempo; el sistema GPS garantiza mínimo cinco satélites visibles en cualquier parte del mundo (sobre el horizonte).

El segmento de control está formado por un conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites, cuya función es aplicar correcciones de posición orbital y temporal, enviando información de sincronización de relojes atómicos y correcciones de posicionamiento de órbitas a los distintos satélites (Salazar, 2009; Guandique, López y Martínez, 2013). El segmento de usuarios es un conjunto de equipos que reciben señales procedentes del segmento espacial, estos equipos están formados por un conjunto de elementos básicos: antena receptora y un receptor electrónico; cabe destacar que también son parte importante de este segmento: los fabricantes, productos, servicios y soporte técnico del sistema.

Las principales fuentes de error son efectos de la atmósfera sobre la señal que va desde el satélite-receptor, alteraciones en la señal por edificios o árboles, y pérdida de señal por ubicación cercana a instalaciones de alta tensión (McCormac, 2004; Pozo et al., 2010). El GPS diferencial se fundamenta en el uso de un georreceptor móvil (rover) y una estación (o estaciones) de referencia (base) ubicada en coordenadas conocidas con una alta exactitud. La estación base coteja las mediciones transmitidas por los satélites y recibe en tiempo real las coordenadas de ese punto (Filip, 1998), ya conocidas a priori con exactitud, contrasta los resultados y a partir de ello calcula los errores del sistema en tiempo real.

Descripción de la experiencia

A los estudiantes de Cartografía y Fotogrametría, Ordenamiento Territorial e Introducción a los SIG del programa de Ciencias de la Tierra de la UPEL-IPMALA, que estuvieron involucrados desde el inicio de la planificación de la actividad se les dio una charla y se les entregó un tríptico sobre las medidas de seguridad que, según Kirsch (2014), deben tomarse en cuenta al momento de realizar trabajos a cielo abierto; por ejemplo, el uso de ropa adecuada y cómoda, de colores claros para evitar la incidencia de la radiación solar y la consecuente insolación o quemaduras en la piel, entre otros. En el desarrollo de la charla se dio un periodo de tiempo apropiado para aclarar dudas y preguntas al respecto.

Seguidamente, antes de comenzar la medición, se les dio una explicación sobre la actividad a realizar para reafirmar conocimientos sobre el sistema GPS, el método de medición a emplear en la experiencia pedagógica, las características de los equipos y los procesos de monumentación de puntos, entre otros. Posteriormente, se dividieron en tres grupos y cada uno fue ubicado en una estación o punto IPM1, IPM2 e IPM3 durante el proceso de monumentación, posiciona-miento, nivelación y encendido del equipo, medición de la altura de la antena, elaboración del reporte en cada estación, grabación de los datos y desmontaje del equipo. Por último, y luego del post-proceso, los estudiantes realizaron la monografía de los puntos GPS medidos, tal cual se aprecia en la tabla 3.

La medición de los puntos se realizó con el método estático, este tipo de medición se utiliza cuando se requiere obtener coordenadas de un punto de manera precisa y confiable (Pachas, 2009). El método de medición estático es recomendado por Leica Geosystems (2003), y consiste en ubicar dos o más estaciones de recepción simultáneamente, base y rover. Estas deben permanecer en ese sitio un lapso de tiempo estimado por el operador para el proceso de grabación de los datos en campo trasmitido desde los satélites (el tiempo de medición va a depender de la distancia entre receptores, la configuración geométrica de los satélites y las condiciones de obstrucción que se presenten en la zona), este proceso se repite para cada punto al que se desea obtener su posición.

Medición de puntos GPS utilizando el método estático con equipo diferencial

A continuación, se describen los pasos a seguir para llevar a cabo la medición de puntos GPS con el método de medición estático:

Determinar previamente los parámetros de medición, esto es, rata o intervalo de captura de los datos, tiempo de medición, y ángulo de medición. En el caso del presente trabajo, la captura de datos se hizo cada cinco segundos, el ángulo de medición fue de 15° sobre el horizonte y el tiempo de medición fue de una hora y media en cada estación.

Determinar el punto donde se va a colocar el equipo base o estación de referencia. Este debe ser una estación de coordenadas conocidas; de igual forma, precisar el sitio más idóneo para colocar el nuevo punto a medir, es decir, la estación donde se colocará el equipo rover. Para este trabajo se tomó como punto base el punto Carson, cuyas coordenadas son: norte: 1 077 509,157 m, este: 482 168,348 m y cota: 68,587 m en el sistema SIRGAS-REGVEN. Los tres puntos a los cuales se les determinó sus coordenadas quedaron materializados en las cercanías del estacionamiento trasero de la UPEL-IPMALA y se tomó en cuenta para la selección del sitio por ser un área despejada y que no existieran construcciones de gran altura en las adyacencias.

Posicionar y nivelar el trípode y colocar el equipo GPS sobre su base nivelante, haciendo coincidencia del punto a través de la plomada óptica. Este paso se realiza para preparar el equipo antes de iniciar la medición tanto en la estación base como en las estaciones rover; en el caso de este trabajo, este procedimiento se realizó cuatro veces en la estación base y en los tres puntos a determinar sus coordenadas (estaciones rover).

Encender los equipos. Estos por lo general tardan unos minutos en rastrear los satélites, una vez que capten los satélites se verifican los parámetros de medición, se mide la altura de la antena (estos datos son anotados en una libreta de campo) y se programan para que comiencen a grabar, es indispensable que haya simultaneidad en las mediciones, es decir, que ambos equipos estén midiendo al mismo tiempo. El tiempo de medición va a depender del tipo de receptor que se esté utilizando, la configuración geométrica de los satélites en el momento de la medición y la distancia que exista entre la estación de referencia y la estación rover.

Apagar los equipos una vez culminado el tiempo de medición; si se va a medir en otro punto se realiza el mismo procedimiento sin necesidad de apagar el equipo colocado en la estación base.

Descargar la data recabada en los equipos de medición, esto normalmente lo hace el coordinador de la medición conjuntamente con el operador GPS, y por lo general se hace en oficina; en seguida se procesa la información, paso al que comúnmente se le denomina post-proceso.

Monumentación y medición de puntos GPS en la UPEL-IPMALA

Para la ejecución de la actividad monumentación y medición de puntos GPS en la UPEL-IPMALA, se cumplieron tres fases o etapas, algunas previas al momento de la medición, otras durante la práctica y, finalmente, otras posteriores a la práctica. Entre las fases anteriores a la práctica se encuentran la planificación, el reconocimiento y actividades previas; entre las actividades que se realizaron propiamente durante la práctica están la monumentación de los puntos y la medición GPS, y dentro de las que se realizaron después de la práctica están la descarga de datos recabados en campo y el post-proceso o procesamiento de los datos. A continuación, se describen todas las acciones desarrolladas en cada una de estas fases.

Fase 1: Actividades realizadas antes de la práctica de campo

Planificación: En esta etapa, se programó lo concerniente a la logística a emplear antes, durante y después de la actividad, esto es, el talento humano involucrado, la estación base a ocupar, sus coordenadas, la permisología requerida, los materiales, equipos y vehículos a utilizar, la fecha de la actividad, el lugar donde materializar los puntos, entre otros. Durante esta etapa, se solicitaron los permisos correspondientes para poder ocupar la estación Carson (ubicada dentro de las instalaciones del aeropuerto internacional de Maturín), como punto base de coordenadas conocidas de la red geodésica para darle coordenadas a los puntos nuevos, se emitieron correspondencias solicitando permiso a la dirección del aeropuerto internacional mencionado, el cual fue concedido oportunamente.

De igual modo, se solicitó permiso a la Unidad de Planta Física de la UPEL-IPMALA, y se coordinó, por otro lado, la disponibilidad de personal y de equipos GPS con la empresa Marfran, C. A. En este caso, el personal de la misma estuvo conformado por dos ingenieros especializados en la materia, asimismo dos vehículos y personal obrero. Entre los equipos utilizados están tres GPS diferenciales South, tres trípodes, tres cintas métricas, una cámara fotográfica y herramientas menores como pala, chícora, barra metálica, cucharilla de albañilería, machete, mandarria.

Adicionalmente, se utilizaron materiales como pintura, cemento, cabillas, alambre, clavos y otros; pero, además, dos vehículos para realizar los traslados y ocupar las estaciones. Estos traslados corresponden al posicionamiento de la estación base en el aeropuerto referido y a las tres estaciones rover en la UPEL-IPMALA, la distancia horizontal entre los puntos es de aproximadamente 2,5 km, sin embargo, en recorrido vehicular están separados cerca de 10 km.

Aparte del personal de la empresa Marfran C. A., estuvo como coordinador del trabajo un miembro del personal docente de la UPEL-IPMALA responsable de las unidades curriculares y, en condición de colaborador, un docente de otro núcleo de la UPEL. También participaron los estudiantes de la especialidad de Ciencias de la Tierra, cursantes de las unidades curriculares Cartografía y Fotogrametría, Ordenamiento Territorial e Introducción a los Sistemas de Información Geográficos (SIG).

Reconocimiento de campo y actividades previas: En esta fase se realizaron actividades como verificar las baterías de los equipos y las especificaciones y procedimientos necesarios para la ejecución del trabajo en atención a los protocolos de seguridad. En ese sentido, a los estudiantes participantes de la práctica se les dio una charla informativa, en la que se hizo una amplia exposición de las medidas de seguridad en trabajos topográficos a cielo abierto.

Para el reconocimiento de campo, se visitó el sitio previamente para verificar si el mismo estaba libre de obstrucciones como árboles, tendidos eléctricos, grandes edificaciones en sentido vertical, cuerpos de agua, asegurando la no afectación del trabajo y la calidad de los resultados.

Fase 2: Actividades realizadas durante la práctica de campo

Monumentación y medición: Los monumentos colocados en la UPEL-IPMALA, se construyeron con material de concreto, que, según Martínez, Fernández y Uribe (2010) y Veiga, Zanetti y Faggion (2012), es muy apropiado por su resistencia para este tipo de actividades, se hicieron con longitudes de 20 cm de ancho por 20 cm de largo por 40 cm de alto, como se puede apreciar en la figura 1. Por cada monumento se colocó un tubo de diámetro (φ) 2" que quedaron como testigo de la existencia y materialización de los puntos de coordenadas norte, este y cota, medidos con GPS. Los monumentos son botalones de concreto realizados con dos semanas de anterioridad para dar tiempo al secado y dureza de los mismos, estos tienen en su exterior una placa metálica provista de una cruz (con un punto en la intersección) que indica que es el punto en el que se van a determinar las coordenadas GPS.

Figura 1: Sección típica monumentos GPS.

Fuente: Imagen tomada del Manual de Especificaciones Técnicas de Geodesia (Petróleos de Venezuela S. A., PDVSA, 1995)

Es importante mencionar que se monumentaron y midieron tres puntos GPS, en ese sentido, se utilizaron tres monumentos, a estos puntos se les identificó como IPM1, IPM2 e IPM3. En la figura 2 se muestra el proceso de la monumentación de uno de los puntos durante la práctica de campo.

Figura 2: Trabajo en el proceso de monumentación de los puntos GPS en campo.

Parte de la actividad desarrollada en campo, en particular el empleo de materiales para fijar la ubicación de uno de los puntos medidos con equipo DGPS.

Para la medición se emplearon tres equipos GPS, marca South, con antena incorporada, tres trípodes, cinta métrica y equipo menor de topografía, siguiendo los parámetros e indicaciones recomendadas para el método de medición estático de GPS con equipos diferenciales. En la figura 3 se muestra parte de lo que fue la medición GPS en las estaciones rover, mientras que en la figura 4 se aprecia la actividad de medición en la estación o punto base ubicada en la estación Carson dentro del hangar del aeropuerto de Maturín.

Figura 3: Actividades de medición de los puntos gps en la estación rover.

Figura 4: Medición GPS en la estación base Carson.

Fase 3: Actividades realizadas después de la práctica de campo

Descarga de datos recabados: Se realizó en las oficinas de Proyectos Marfran, C. A., ubicada en la Avenida Alirio Ugarte Pelayo de Maturín, Antiguo Edificio Profesional Davis, a cargo de los ingenieros participantes en la actividad, desde luego, con la participación activa de los estudiantes involucrados.

Post-proceso: Luego de bajar la información de los georreceptores, los archivos fueron convertidos a formato Rinex (acrónimo de receiver independent exchange), el post-proceso se realizó con el software Astech Solutions, que es un sistema de post-proceso diferencial GPS (DGPS) que permite la solución de puntos individuales GPS o de redes geodésicas complejas, observados por receptores Astech, o de datos Rinex que provienen de otros equipos.

Sistematización y análisis de la experiencia

Para dar respuesta a los objetivos planteados al inicio de la actividad, se monumentaron y midieron tres puntos o estaciones ubicados en el estacionamiento trasero de la UPEL-IPMALA, utilizando como estación base un punto de la Red Geodésica Venezolana ubicado dentro del aeropuerto internacional de Maturín. De la data recabada en aproximadamente seis horas de medición se obtuvieron coordenadas bien determinadas de dichos puntos, con errores de pocos milímetros hasta un centímetro en cada una de las coordenadas norte, este y cota, como lo muestra la tabla 1, que es el reporte resultante del procesamiento de las mediciones GPS utilizando el software Astech Solution. En este se describen los parámetros establecidos para el post-proceso, esto es: las precisiones horizontal y vertical, el sistema de coordenadas, archivos de salida, sistema de alturas, unidades de medidas y la fecha.

Tabla 1: Reporte del procesamiento utilizando el software Astech Solution de los puntos medidos.

Fuente: elaboración propia con datos tomados del post-proceso de las mediciones GPS realizadas en la UPEL-IPMALA durante la experiencia pedagógica.

Adicionalmente, la tabla 1 ilustra las coordenadas definitivas de los tres puntos medidos IPM1, IPM2 e IPM3 con sus respectivos errores. Es importante destacar que la coordenada más débil cuando se trata de medición GPS es la coordenada referida a la altura y, en ese sentido, esto se evidencia en el reporte, en el que las desviaciones estándar en las coordenadas de posición norte y este estuvieron en el orden de ±2 a ±8 mm con una media de ±4,6 mm para la coordenada norte y ±6 mm para la coordenada este, mientras que en la coordenada altura se obtuvo una desviación estándar entre ±2 mm a ±1,2 cm y una media de 2,3 cm en la referida coordenada, confirmando así una excelente calidad en general de las mediciones y coordenadas obtenidas.

En la tabla 2 se muestra con más detalles la calidad de los vectores medidos, tal es el caso de: CARS-IPM3, CARS-IPM1, CARS-IPM2, IPM1-IPM2, la longitud entre estos vectores: 2155,414 m, 2210,522 m, 2186,680 m, 47,831 m, respectivamente.

Tabla 2: Reporte del procesamiento utilizando el software Astech Solution de los puntos medidos, donde se muestran los vectores medidos, la calidad de las mediciones y la dilución en la precisión de la geometría satelital.

Fuente: elaboración propia con datos tomados del post-proceso de las mediciones GPS realizadas en la ÜPEL-IPMALA durante la experiencia pedagógica.

Es pertinente hacer la observación de la importancia entre las longitudes medidas y los errores o desviaciones obtenidas en esos vectores, que van entre ±4 mm entre IPM1 -IPM2 a ±1,6 cm entre CARS-IPM2, entre otros datos que tienen que ver con los satélites sobre el horizonte y la calidad de estos en el momento de la medición, parámetros que describen la dilución de la precisión en la geometría satelital o PDOP (por sus siglas en inglés).

La monografía de los puntos GPS, realizada por los estudiantes, es el documento final donde aparecen los resultados definitivos obtenidos. En ella se muestran las coordenadas de la estación base, es decir, el punto que sirvió como coordenada conocida para dar coordenadas a los tres puntos nuevos, en este caso es el punto CARS (Carson o hangar) y que se considera libre de error. Asimismo, aparecen las coordenadas norte, este y cota de los tres puntos medidos, o sea, IPM1, IPM2 e IPM3 y los errores en cada una de las coordenadas; también aparecen las fotografías panorámicas de cada punto o estación medida y el croquis de ubicación de estos y, finalmente, una breve descripción de cómo llegar al lugar donde están localizados (tabla 3).

Tabla 3: Monografía de puntos GPS medidos durante la experiencia pedagógica.

Datum: REGVEN, Sistema de Coordenadas: UTM: 20, Sistema de ref. vertical: nivel medio del mar (EGM-69).

Dirección de los puntos: se encuentran ubicados en el estacionamiento trasero de la UPEL-IPMALA, Maturín Edo. Monagas, Venezuela. Nota: Elaborado con datos tomados de la medición y post-proceso de los puntos GPS medidos en la ÜPEL-IPMALA durante la experiencia pedagógica.

La monografía de los puntos GPS medidos es sumamente importante para dar validez a la actividad realizada, guarda información necesaria que debe utilizarse para la verificación y/o chequeo de instrumentos de medición, lo cual fue parte de los objetivos de este trabajo.

En relación con el acercamiento de los estudiantes a las TIG, los resultados fueron los esperados, pues se evidenció una participación muy activa en todas las fases antes descritas, hecho de gran relevancia, por cuanto les permite familiarizarse con tecnologías de punta, cada vez más empleadas (López y Angulo, 2006), explotando las ventajas que las mismas ofrecen, pues desde que aparecieron las TIG, hasta la actualidad, los progresos tecnológicos han sido extraordinarios y, en ese sentido, es necesario que los estudiantes en formación tengan acceso a estas, materializando de esa forma lo que Rojas y Leal (2017) definen como affordance, que no es otra cosa que la posibilidad de que los estudiantes sean partícipes de un aprendizaje asistido por tecnología.

Como actividad evaluativa los estudiantes realizaron y discutieron un informe donde expusieron todo lo relacionado con el trabajo efectuado y, finalmente, una evaluación grupal. En general, la experiencia pedagógica de involucrar a los estudiantes con las TIG reveló que fue una actividad significativa de aprendizajes, debido a que ellos vivieron en la realidad y lograron a través de la actividad adquirir conocimientos que les permiten el avance en su formación profesional, en el entendido de que una de las prácticas del arte de la facilitación es la transformación de las vivencias que atraviesan las personas en experiencias de aprendizaje (Barón y Cadavid, s. f.). En esta oportunidad, las vivencias se centraron en el proceso de monumentación y medición de puntos GPS, lo cual permitió a los estudiantes comprender e internalizar en qué está basado el sistema, los fines para los que fue creado, las condiciones necesarias al momento de medir, las fuentes de errores, su utilidad y aplicaciones, entre otros aspectos. En definitiva, fue una experiencia pedagógica basada en la enseñanza de la tecnología y permeada, según Ortega y Perafán (2016), por una variedad de prácticas y actividades en las cuales los estudiantes participan y reconocen la atribución de sentido que incorpora el profesor.

Haciendo énfasis en la utilidad pedagógica que se le dará a estos puntos es que podrán emplearse no solo por la comunidad estudiantil, docente y científica del Estado, sino también por la comunidad en general; por ejemplo, una de sus aplicaciones puede ser referenciar imágenes de satélites de localidades cercanas a la zona y generar mapas, vincular levantamientos topográficos de lugares cercanos, realizar mediciones y ejecutar prácticas de topografía, entre muchos otros usos.

Aunado a todos los elementos tratados, es de interés resaltar que la ejecución de la medición de puntos GPS por el método estático con equipo diferencial en la UPEL-IPMALA sirvió como un espacio de encuentro académico y sinergia entre la universidad (grupo de estudiantes y docentes) y la empresa privada (Proyectos Marfran, C. A.), pues se construyó el conocimiento a partir del contexto que le envuelve y que le es pertinente al participante (Morín, 1999).

Proyectos Marfran C. A. es una empresa privada dedicada al campo de la ingeniería conceptual, básica y detalles, construcción y topografía, con sedes en los estados de Monagas y Anzoátegui. Esta empresa ha contribuido siempre con la formación de nuevos profesionales y estudiantes en formación, a través de generación de empleo, pasantías, actividades de campo y trabajos de grado.

Los puntos GPS de la UPEL-IPMALA como patrón de comparación y/o verificación

Los instrumentos de medición requieren, en cualquier momento de su uso, ser revisados para comprobar si están midiendo lo que deben medir, es decir, si están midiendo correctamente. En tal sentido, a este procedimiento, de manera general, en diferentes literaturas, se le denomina calibración, chequeo o verificación de equipos de medición, sin embargo, para efectos de este trabajo se llamó verificación de equipos, que no es más que el procedimiento de comparación entre lo que indica un instrumento y lo que "debiera indicar" de acuerdo con un patrón de referencia con valor conocido.

Partiendo de esta premisa y en atención a los objetivos y resultados obtenidos, debido a la rigurosidad en las fases del trabajo durante la experiencia pedagógica, las coordenadas determinadas para los tres puntos, por ser de alta calidad, pueden utilizarse como sistema de comparación (o comparador/patrón de referencia) para verificar el buen funcionamiento de equipos de medición, tales como: cintas métricas, teodolitos, estaciones totales, niveles, equipos navegadores, equipos GPS y DGPS, plomadas, entre otros.

El procedimiento para la verificación y chequeo de equipos de medición a partir de la data generada para los tres puntos mencionados consistirá en basarse en las propiedades de la geometría de un polígono (en este caso el triángulo); por otro lado, al tener las coordenadas de dichos puntos que conforman el triángulo, se pueden calcular las longitudes de sus lados, y verificar los equipos de medición.

Según las propiedades del triángulo, al hacer las respectivas mediciones se pueden verificar las siguientes condiciones:

La suma de los ángulos interiores de un triángulo es igual a 180°.

La suma de los ángulos exteriores o externos de un triángulo es igual a 360°.

A los efectos de este trabajo, el triángulo generado con los tres puntos medidos ya está siendo utilizado para prácticas de campo en el área de Geodesia del Programa de Ciencias de la Tierra de la ÜPEL-IPMALA, y por personas relacionadas con los trabajos topográficos de la zona vinculados a la industria petrolera para verificación de equipos.