Técnicas GNSS en tiempo real: posibilidades modernas para la georreferenciación a CR-SIRGAS

Resumen

Diferentes estudios, investigaciones y avances tecnológicos en el campo de GNSS, han contribuido con el suministro de datos en mediciones de los distintos trabajos topográficos que se realizan a diario. La necesidad de estandarizar la información que ingresa al Registro Inmobiliario, es decir, aplicar una georreferenciación oficializada a una época en el marco geodésico de referencia nacional CR-SIRGAS, implica una renovación en los conocimientos básicos en los profesionales. Este cambio requiere una mejor capacitación y preparación para cumplir con los requisitos para la entrega de planos de agrimensura. Por esto, conocer distintas metodologías RTK, se torna esencial. Comparar precisiones, el equipo que se tiene disponible y el tiempo de medición es el objetivo de esta investigación. Siendo la metodología RTK por UHF aquella ideal para mediciones en lugares que no hay acceso a internet.  Mientras que RTK por NTRIP, se ejecuta con poco equipo y recibe resultados vía internet. Además, al utilizar las VRS genera datos a partir de una estación de referencia virtual y estos son transmitidos al receptor móvil, mejorando los resultados y se basa en correcciones de una red de estaciones de referencia. Por otro lado, una innovación poco conocida, pero con gran potencial son las MAC, las cuales proveen información compacta desde las estaciones de referencia de operación continua al rover. Conocer los conceptos básicos de cada método permitirá contar con información que permita idea de cuál es la adecuada para llevar a cabo la georreferenciación.

Palabras claves: CR-SIRGAS, georreferenciación, RTK, VRS, MAC, NTRIP, UHF.

Abstract

Through research, studies, and technological advances in the field of GNSS, it has contributed to the provision of data in measurements of the various surveying works that are carried out daily. The need to standardize the information entered in the Registro Inmobiliario, that is, to apply an official georeferencing to an epoch in the CR-SIRGAS system, implies a renewal in the basic knowledge of professionals. This change requires better training and preparation to meet the requirements for the delivery of surveying drawings. Therefore, knowing different RTK methodologies becomes essential. To compare accuracies, the equipment available and the measurement time is the objective of this investigation. The RTK methodology by UHF methodology is ideal for measurements in places where there is no internet access.  While RTK by NTRIP, runs with little equipment and receives results via internet. In addition, when using the VRS it generates data from a virtual reference station and these are transmitted to the mobile receiver, improving the results and it is based on corrections from a network of reference stations. On the other hand, a little-known innovation, but with great potential, is the MAC, which provides compact information from the continuously operating reference stations to the rover. Knowing the basic concepts of each method, allows you to have an idea of which is appropriate to execute georeferencing.

Key words: CR-SIRGAS, georeferencing, RTK, VRS, MAC, NTRIP, UHF.

Introducción

El uso de las mediciones GNSS son una de las principales herramientas para la realización de levantamientos topográficos y geodésicos, la técnica de medición en tiempo real permite obtener correcciones de manera inmediata cuando se realiza un levantamiento, lo cual facilita la recolección de información y la determinación de la posición del punto de interés con precisiones de calidad.

La técnica Real Time Kinematic (RTK), consiste en la determinación de coordenadas de un punto en tiempo real, como resultado de información obtenida a partir de una estación de referencia con coordenadas conocidas. Este proceso brinda la solución de la señal portadora, mediante el enlace de comunicación entre receptores y la utilización de un software incorporado en los equipos (Ferreccio, 2006). Para enviar y recibir correcciones en tiempo real se utilizan distintas metodologías como el RTK mediante radio UHF, vía internet con NTRIP, VRS (Virtual Reference Station) y MAC (Master-Auxiliary Concept).

Cada una de estas técnicas tiene una serie de ventajas que se presentan en este documento y que, por lo tanto, ofrecen un marco teórico para su posible aplicación en el proceso de georreferenciación a CR-SIRGAS. Lo anterior, ofrece una serie de ventajas considerando que actualmente las directrices número DRI-001-2020 y DRI-002-2021 ordenaron georreferenciación dentro del marco nacional, sin embargo, es posible que, por falta de capacitación en algunos sectores del gremio, la Directriz DRI-003-2021 exige la georreferenciación a CR-SIRGAS a partir del 01 de marzo del año 2022.

Diferentes técnicas de medición GNSS en tiempo real

La metodología Real Time Kinematic (RTK), es una técnica resultante de los avances tecnológicos en los equipos GPS; brindando coordenadas en tres dimensiones, con precisión centimétrica y en tiempo real. Este proceso brinda la solución de la señal portadora, mediante el enlace de la comunicación entre receptores GPS y la utilización de un software de procesamiento incorporado en los equipos, por esta razón no requiere de algún tipo de post proceso y adicionalmente permite el replanteo (Ferreccio, 2006). Como lo describe El-Mowafy (2004), RTK es el posicionamiento del rover como resultado de información obtenida a partir de una estación de referencia con coordenadas conocidas. Para que se realice la medición, es necesario inicializar, es decir, que se calculen y se fijen las ambigüedades. Una vez inicializado el equipo en el punto, unos segundos después se obtiene la posición en tiempo real. Se debe tomar en cuenta que los segundos de transmisión dependen de la cantidad de observaciones enviadas, el tipo de enlace de datos, la distancia del móvil a la referencia y las condiciones de la medición (El-Mowafy, 2004). Se describen a continuación algunas de las técnicas de mayor aplicación en labores topográficas:

• RTK por Radio UHF

Este método transmite datos por medio de frecuencias de la banda Ultra High Frecuency (UHF), especialmente donde se requiere una mejor propagación. El salto de la señal es mínimo y la afectación del ruido es más fácil de controlar. Su equipo está compuesto por una base y un rover; las correcciones son enviadas desde la base al rover por medio de radio modem (Baybura et al, 2019). Sin embargo, tiene limitaciones con respecto a la distancia máxima presentando un rango entre los 5 y 10 km (El-Mowafy, 2004). Además, esta señal se ve afectada cuando hay árboles, condiciones meteorológicas adversas y multipath (Ferreccio, 2006).  Otro aspecto que afecta las mediciones por medio de radio es el efecto de la ionosfera; el centelleo impacta la propagación de la señal y el funcionamiento del sistema. Asimismo, las ráfagas solares (tipo de tormenta ionosférica), interrumpe la comunicación GNSS debido a que es una fuente de ruido (Baybura et al, 2019).

Las mediciones mediante radio UHF presentan algunos problemas que se deben tomar en consideración, pero investigaciones muestran que hay avances como la incorporación de estaciones de observación continua o red de medición en tiempo real, que permiten eliminar errores relacionados con la ionosfera, troposfera o la órbita y enviar las correcciones en tiempo real.

• RTK por NTRIP

NTRIP, acrónimo de Networked Transport of RTCM vía Internet Protocol es una técnica basada en el Protocolo de Transferencia de Hipertexto, desarrollada por la Bundesamt fur Kartographie und Geodasie (BKG) y la Universidad de Dortmund. Este fue diseñado con el fin de difundir correcciones diferenciales y otros tipos de productos GNSS. Los datos llegan a usuarios en movimiento por medio de computadoras o dispositivos con acceso a internet. Asimismo, su precisión es a nivel centimétrico (Chen, 2004). Este protocolo se implementó debido a que en algún momento existieron gran variedad de formatos de transmisión RTK y esta técnica representa un estándar. Además, es considerada una alternativa eficiente y de bajo costo para que los usuarios reciban correcciones en tiempo real. El formato de los datos que se transfieren está en RTCM (Comisión Técnica de Radio Marítima), conteniendo los respectivos observables, definición, tipo de antena y la versión del archivo, solución de la red; con lo cual hay mayor consistencia y calidad en las coordenadas (Dammalage & Samarakoon, 2008).

Las correcciones pueden provenir de una estación de referencia individual o de un conjunto de observables de una red de apoyo, por medio de un centro de control. Esta parte del sistema es conocida como NTRIP Sources o estaciones permanentes (Vásquez-Camacho, 2020). Según Chen (2004), existen tres componentes; el primero es el NTRIP Server, siendo este el que lee los datos de una fuente y los transfiere al NTRIP Caster. Lo que lleva al segundo integrante del sistema, el NTRIP Caster es el encargado de gestionar los flujos de datos obtenidos de diferentes fuentes y que estos sean enviados a los usuarios. Por último, está el NTRIP Client, que son los receptores de la información RTCM, sin embargo, deben contar con autorización previa por parte del NTRIP Caster y un equipo receptor con capacidad RTK y módem incorporado, como se puede apreciar en la figura 1.

Algunos de los programas que permiten recibir correcciones de NTRIP son: SNIP, BNC y Lefabure NTRIP Client. Mayores detalles se pueden consular en Guisso et al. (2019).

• Estaciones de referencia virtual (VRS)

Las Estaciones de Referencia Virtual (VRS) generaran datos de observación para una estación inicial, es decir, una estación virtual a partir de observaciones reales de una referencia y transmitir estos datos a la estación móvil (Fernández, 2017) y (Hofmann et al. 2007). La idea de utilizar VRS de acuerdo con Silva et al. (2013) es mejorar los resultados alcanzados con el posicionamiento RTK convencional, proporcionando correcciones RTK basadas en una red de estaciones de referencia.

Las redes de estaciones de referencia de observación continua (CORS) están conectadas al centro de control, las cuales recogen toda la información para crear una base de datos en continua actualización con las correcciones del área que abarca la red. El rover recibe los datos y trabaja exactamente igual como si los recibiera desde una estación de referencia situada físicamente cerca de él. Esta metodología consigue reducir o eliminar errores sistemáticos en la estación de referencia (Fernández, 2017), además, aumenta la distancia entre esta y el rover así como reducir el tiempo de inicialización y mejorar la fiabilidad del sistema. Rímolo y Secco (2017) aseguran que para que el rover recorra grandes distancias es necesario las actualizaciones de la posición de la estación virtual y sus respectivos datos generados. Idealmente, estas actualizaciones no son necesarias para distancias menores a 10 km.

Hay muchos factores que pueden incidir en la precisión y exactitud del método VRS. Muchos de ellos son ajenos al usuario y por ende no es posible reducirlos ni identificarlos en la mayoría de los casos. Sin embargo, hay otros factores referidos al manejo que hace el usuario del sistema que sí pueden ser estudiados y por lo tanto incidir favorablemente en las precisiones y exactitudes obtenidas con este método. Según la teoría, algunos de estos aspectos que deben ser estudiados son los tiempos de ocupación para cada punto a relevar, la separación entre los puntos y sus respectivas estaciones virtuales, así como, la distancia entre éstas y la correspondiente CORS elegida desde el caster para hacer el desplazamiento geométrico de sus observaciones (Rimolo Y Secco, 2017). El tema principal de construir una VRS es lidiar con los datos de los satélites, ya que la estación de referencia virtual heredará las características de ruido y multipath de las observaciones físicas de la estación de referencia maestra que se seleccionará (Sanso, 2006).

• Concepto Máster-Auxiliar

Según Brown et al. (2005) citado en Janssen (2009) es diseñado para transmitir todos los datos de corrección relevante de una red de estaciones de referencia de observación continua al móvil o rover de manera compacta al representar los datos de observación a un nivel de ambigüedad, como correcciones diferenciales de datos dispersivos o no dispersivos para cada pareja de satélite-receptor. Se ha dicho que dos estaciones de referencia tienen en común niveles de ambigüedad, si las ambigüedades completas para cada rango de fase (satélite-receptor) han sido eliminadas o ajustadas, entonces las ambigüedades completas se cancelan cuando las dobles diferencias (involucran dos satélites y dos receptores) son formadas durante el procesamiento.

El principio básico del concepto máster auxiliar es de proveer, de forma compacta tanta información de la red y errores observados al rover como sea posible. Con más información del estado y la distribución de los errores dispersivos o no dispersivos de la red, el móvil es capaz de emplear algoritmos más inteligentes en la determinación de la solución de la posición (Brown et al. 2006).

Según Brown et al. (2005) para reducir el volumen de datos que son transmitidos a la red, las correcciones completas y la información de las coordenadas, son enviados a una única estación de referencia (la estación master). A las otras estaciones de la red (las estaciones auxiliares) ingresan las diferencias de corrección y las diferencias de coordenadas. Separar las correcciones en dispersivas y no dispersivas reducen el ancho de banda requerido, se conoce que los errores troposféricos y orbitales cambian lentamente con el tiempo, por lo que no se necesita una velocidad de datos tan alta como para los errores dispersivos.

Master-Auxliary Corrections (MAX): contiene las correcciones de las redes especificadas por la filosofía de MAC. La interpolación de las correcciones de la red es realizada por el rover usando la mayor cantidad de información de las redes, pero solo disponibles para móviles que soporten mensajes RTCM 3.1. Las correcciones están disponibles tanto en unidireccional como en bidireccional en modo de comunicación. Es importante considerar que si la red de correcciones no está disponible porque no hay suficientes pares de satélites-receptores con ambigüedades fijas, las correcciones no pueden ser enviadas y el usuario deberá decidir cambiarse a una solución de una sola base (Janssen, 2009). La composición del sistema se aprecia en la figura 2.

Figura 2. Generación de las correcciones de una Máster Auxiliar (MAX)

Fuente:  Brown et al, 2005

El proceso de georreferenciación dentro del marco nacional

El artículo 2 del Decreto Ejecutivo No 35509-J (Reglamento de Organización del Registro Inmobiliario) define el concepto de Georreferenciación como: “Es el proceso técnico mediante el cual se define la posición de los vértices de los inmuebles en el sistema oficial de referencia del país, con el fin de incorporar la descripción del inmueble en el mapa catastral”. Según Alvarado & Zúñiga (2020) algunos de los principales beneficios que trae la georreferenciación son:

• Se evitarán las sobreposiciones o traslapes entre fincas, ya que los vértices comunes de las parcelas tendrán coordenadas únicas, en un mismo sistema de coordenadas.
• Se eliminaría las incertidumbres provocadas por orientaciones magnéticas y referencias a esquina.
• Permite ubicar los levantamientos topográficos dentro del territorio nacional de forma inequívoca.
• Es un elemento fundamental para garantizar la seguridad jurídica de los bienes inmuebles.

Se recomienda aplicar las metodologías establecidas en la Guía de georreferenciación del 2020 elaborada por el Registro Inmobiliario, para llevar a cabo la georreferenciación de manera adecuada. Específicamente dice que para la georreferenciación los profesionales deben comprender los siguientes aspectos fundamentales:

• El datum geodésico proporciona el origen, la orientación y unidad de escala de un sistema de coordenadas con respecto al cuerpo de la Tierra (Drewes, 2012).
• Con fundamento en el Decreto Ejecutivo Nº 33797-MJ-MOPT del 2007, se crea el sistema de coordenadas horizontales para Costa Rica, denominado CR05. Este sistema de coordenadas está amarrado al Marco de Referencia Terrestre Internacional del año 2000, reducido a la época 2005,83.
• CR-SIRGAS es el sistema de referencia horizontal oficial para Costa Rica, según el Decreto Ejecutivo N° 40962 el cual se asocia al ITRF2008, época 2014,59. Los cambios y su actualización se regirán de acuerdo con las nuevas definiciones del ITRF que se implementen en la red continental SIRGAS-CON.
• Proyección CRTM05: se define a esta proyección con referencia al artículo 2 del Decreto Ejecutivo 33797 del 2007:

Específicamente la Directriz DRI-003-2021 establece que: “A partir del día 01 de marzo del año 2022, los planos de agrimensura deberán ser presentados junto a su correspondiente polígono en formato digital shape (shp), el cual debe estar debidamente georreferenciado a la época 2014,59, ITRF2008 (IGb08), proyección CRTM05. Lo anterior aplicará en todo el territorio nacional”. Por lo tanto, la georreferenciación a CR-SIRGAS muy pronto será una realidad a nivel nacional; por consiguiente, los profesionales en topografía deben conocer los conceptos y técnicas fundamentales en esta materia; para no ver afectados sus trabajos por errores groseros, derivados del desconocimiento.

Conclusiones

• Mediante la investigación realizada sobre las distinta técnicas GNSS de levantamiento en tiempo real se logra ampliar el conocimiento en estas metodologías, esta exposición de conceptos permite desarrollar una idea de cómo estas técnicas pueden facilitar el levantamiento de información en la actualidad, ya que cada una tiene una serie de ventajas sin dejar de lado las posibles desventajas que la tecnología puede llegar a tener, por ello, conscientes de estos dos factores se podrá tomar en cuenta cuál de las técnicas GNSS son las más adecuadas para poder implementarlas en el proceso de georreferenciación.
• La aplicación de RTK por medio de radio UHF es ideal para mediciones donde se requiere una mejor propagación, como zonas alejadas o donde no se cuente con acceso a internet. Dentro de sus ventajas se considera que tiene un mayor control con respecto al salto de la señal y la afectación del ruido (Baybura et al, 2019). Además, no necesita de la intervisibilidad entre el receptor base y el móvil. Con esto, la localización puede ser realizada a distancias superiores cuando comparamos con la topografía convencional (Brandetti & Kemerer, 2011).
• La medición por medio de NTRIP es un método que no requiere gran inversión en equipos, ya que tiene la posibilidad de recibir correcciones en dispositivos como celulares y computadoras, siempre y cuando tengan acceso a internet (Vásquez-Camacho, 2020). Además, al estar realizada con solo una antena móvil, la medición la ejecuta un operador, es decir, no se necesita el cuidado de la base sobre un punto de coordenadas conocidas. Es por esto, que se considera un medio seguro, rápido y rentable para obtener precisión en las mediciones (Santecchia & Span, 2020). Sin embargo, el NTRIP debe tener acceso a internet todo el tiempo, por lo que no en cualquier lugar se puede utilizar (Camisay et al, 2011).
• Según Cantó (2021) entre las virtudes de los levantamientos GNSS NTRIP resaltan los grandes radios de cobertura entre base y receptor, la posibilidad de que los ingenieros topógrafos solo compren un equipo GNSS. Los problemas de esta técnica surgen cuando no hay señal celular, por lo tanto, se imposibilita la recepción de las correcciones, de ahí que la metodología RTK por Radio UHF tome importancia, debido a que esta no necesita conexión a internet, por lo que es ideal para levantamientos en zonas boscosas o sin cobertura telefónica. En consecuencia, las desventajas primordiales del método RTK por radio es la necesidad de comprar dos equipos GNSS, y por contrario a la técnica RTK por NTRIP los radios entre base y receptor no son grandes. Relacionando la metodología NTRIP con la georreferenciación a CR-SIRGAS, es importante conocer en qué sistema y época de referencia se encuentran las coordenadas de la base emisora de las correcciones, lo ideal es que la base esté vinculada a CR-SIRGAS época 2014,59.
• En el caso de los levantamientos RTK por radio UHF, en los cuales no se conozcan las coordenadas de la base, es necesario realizar un levantamiento estático sobre el punto base, lo que conlleva posteriormente la ejecución del post procesamiento de este y georreferenciación a CR-SIRGAS, para ello es importante considerar que si el procesamiento se realiza en el Sistema de Post Procesamiento en línea de la Red de Estaciones GNSS Registro Nacional, Instituto Geográfico Nacional, los resultados estarán asociados a la época 2019,24, por lo que posteriormente esto se debe transformar a la época de origen 2014,59. Si previamente se ingresan las coordenadas de la base en CR-SIRGAS los puntos levantados con el rover estarán directamente georreferenciados, si al contrario, el levantamiento se realizó sin previamente post procesar las coordenadas de la base, es posible posteriormente mover los puntos levantados con el móvil según la nueva posición de la base ( ya preprocesada y georreferenciada).
• Según Álvarez & Sanabria (2021) el Instituto Geográfico Nacional está trabajando en la implementación del servicio de corrección diferencial en tiempo real por medio de NTRIP (Networked Transport of RTCM vía Internet Protocol) de las estaciones GNSS de Registro Nacional. Esto se prevé lograr en el segundo semestre del 2021. Se pretende que esta herramienta de flujo y transmisión de datos sea implementada a través del Sistema Nacional de Información Territorial.
• Algunas de las ventajas de las estaciones de referencia virtual según Janssen (2009) es que permite un modelado complejo de los efectos atmosféricos en el servidor por lo que no se necesitan cálculos complejos en el rover. Además, el método es adecuado en aplicaciones comerciales ya que la facturación está incorporada al sistema y se gestiona fácilmente debido al requisito de comunicaciones bidireccionales.
• En la actualidad, es conocido entre el gremio de topografía que el Instituto Costarricense de Electricidad cuenta con equipos GNSS, con los cuales brinda el servicio de corrección en tiempo real a través de la plataforma del VRS.
• Las ventajas de Master-Auxiliary Concept son que permite comunicaciones unidireccionales y bidireccionales. La información completa sobre las fuentes de error predominantes se pone a disposición del móvil a través de mensajes de red RTCM, facilitando así el uso de algoritmos de posicionamiento más inteligentes en la determinación de la posición del móvil. También, tiene ventajas para aplicaciones cinemáticas cuando el móvil se desplaza a grandes distancias. Por último, ofrece una trazabilidad legal y clara ya que los datos de corrección GNSS están directamente vinculados a una estación de referencia real. (Janssen, 2009).
• Otra ventaja que se puede contemplar es que Master-Auxiliary Concept le da al rover la flexibilidad para realizar una interpolación simple y eficiente de las correcciones de la red o un cálculo más riguroso dependiendo de sus capacidades de procesamiento. Si por alguna razón los datos de la estación maestra ya no son válidos o ya no están disponibles, entonces una de las estaciones auxiliares puede asumir fácilmente el papel de la estación maestra. En todo momento, las correcciones de la red master-auxiliar RTCM 3.0 están relacionadas con estaciones de referencia reales y, por lo tanto, son totalmente rastreables (Brown et al. 2005).
• Por último, la técnica de Master- Auxiliar, es una metodología relativamente nueva o muy poco conocida en el ámbito de levantamientos GNSS en Costa Rica, por lo que posiblemente no se cuente con el apoyo suficiente para ejecutar esta herramienta. Sin embargo, es importante conocer su concepto, así como sus ventajas y desventajas para que en un futuro exista la posibilidad de emplearlo, como una técnica de muy buena precisión que sirva de apoyo para la georreferenciación.
• Es importante considerar que Costa Rica realiza la georreferenciación según las directrices publicadas, debido a que esto tiene implicaciones legales, catastrales y registrales. Se establece una época de referencia ya que los insumos fueron generados en dicho periodo de medición y no es conveniente ni posible actualizar los productos de un día para otro. Asimismo, implica que haya concordancia entre los distintos trabajos topográficos.
• Se pretende que tomando en cuenta las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos de levantamiento RTK expuestos en el presente artículo, se logre la implementación de estas técnicas en la georreferenciación a CR-SIRGAS, debido a que esta georreferenciación según la directriz DRI-003-2021 será de carácter obligatorio a partir del 1 de marzo del año 2022.

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