Uso del GPS en la montaña

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.

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.

Información obtenida de http://www.aventurarse.com