Sistemas de referencia Instituto Geogrfico Agustn Codazzi Bogot, marzo 2001 Introduccin

Hermann Drewes 1

SISTEMAS DE REFERENCIA EN GEODESIA INSTITUTO GEOGRFICO AGUSTN CODAZZI

BOGOT D. C., COLOMBIA MARZO , 2001

HERMANN DREWES

DEUTSCHES GEODTISCHES FORSCHUNGSINSTITUT (DGFI)

(INSTITUTO ALEMN DE INVESTIGACIONES GEODSICAS)

Z

Y

X

Z'

Y'

X'

Sistema ecuatorial

instantneo

Sistema terrestre convencional

Polo celeste

Fuente radar extragalctica

(a, d)

Satlite (Xs, Ys, Zs)

Telescopio (X'p, Y'p, Z'p)

Estacin (X'p, Y'p, Z'p)

S (Xs-X'p)2 + (Ys-Y'p)2 + (Zs-Z'p)2

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Hermann Drewes 1

Contenido del Curso

1. Introduccin Definicin, necesidad, clsificacin, jerarqua, ejemplos de sistemas de referencia, servicios internacionales

2. Orientacin de la Tierra en el espacio Sistemas de referencia celestes inerciales, causas de la variacin de la rotacin de la tierra en el espacio, mtodos astronmicos para la observacin de las variaciones

3. Rotacin de la Tierra en el sistema terrestre

4. Teora de la rotacin Movimiento del polo, variacin de la velocidad de la rotacin, longitud del da, causas de las variaciones (atmsfera, ocanos)

5. Observaciones de la variacin de la rotacin terrestre Variaciones histricas y actuales, separacin de las frecuencias, correlacin con observaciones meteorolgicos y oceanogrficos

6. Sistemas de referencia terrestres 7. Definicin y realizacin (materializacin)

Mtodos de observacin geodsica, resultados globales, continentales y nacionales, utilizacin en la prctica

8. Teora de la tectnica de placas Observaciones geolgicas y geofsicas, modelos del movimiento de las placas

9. Sistemas de referencia cinemticos Observaciones geodsicas, modelos del movimiento actual de las placas, deformaciones regionales

10.Sistemas de referencia verticales Definicin del tipo de alturas, superficies de referencia, variacin de la superficie del mar, determinacin del geoide, materializacin de sistemas de referencia verticales

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Sistemas de referencia geodsicos Sistema de referencia: Definicin de modelos, parametros, constantes, etc., que sirven como base para la descripcin del estado geomtrico de los procesos fsicos de la Tierra o de la superficie terrestre (p.ej., sistema cartesiano tridimensional ortogonal, con el eje Z paralelo al eje de la rotacin terrestre, el eje X pasando por el meridiano de Greenwich, la escala dada por la constante gravitacional geocntrica, GM, y la velocidad de la luz, v0 ...) Marco de referencia: Realizacin (materializacin) de un sistema de referencia por un juego de entidades fsicas y matemticas (p.ej., un nmero de puntos monumentados sobre la superficie terrestre con sus coordenadas geocntricas tridimensionales X, Y, Z elipsoidales j, l, h dadas convencionalmente. Datum geodsico: Parmetros que conectan las mediciones con el sistema de referencia, p.ej., tamao y orientacin de un elipsoide de referencia, (p.ej., GRS80 WGS84 con semieje mayor a = 6378137 m, achatamiento dinmico J2 = 10826310-8 (corresponde al achatamiento geomtrico f = 1:298.257), y su orientacin con respecto al sistema geocntrico dada por las desviaciones de la vertical y las ondulaciones del geoide en puntos fundamentales (estaciones Laplace)). Importante:

Los sistemas de referencia no se pueden determinar por mediciones, sino que se definen convencionalmente. P.ej., las coordenadas y direcciones geodsicas no son valores estimables, stas requieren de una base (sistema de ejes de coordenadas) a la cual referirse; mientras que, distancias y ngulos son independientes de un sistema de referencia (excepto la escala de las distancias).

El marco materializa un sistema de referencia fsicamente y matemticamente. Hay que cuidar, que no se introducen ms valores que los necesarios. P.ej., un sistema de coordenadas bidimensional requiere slo de tres valores para fijarse: dos coordenadas para definir el orgen y una coordenada ms para dar la orientacin. Si se fijan mas valores, se pueden crear tensiones en el sistema.

El dtum geodsico se define, clsicamente, por una convencin arbitraria. Su orientacin con respecto a un sistema de referencia se determina ms tarde por observaciones superiores.

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Necesidad de los sistemas de referencia Geodesia global: La geodesia es la ciencia encargada de la medicin y

representacin cartogrfica de la superficie terrestre (Helmert 1880). Esto incluye la determinacin de la figura (tamao) y del campo de gravedad de la Tierra.

Esta definicin requiere de un sistema de referencia global nico que permite la representacin en forma integrada.

Cartografa: La cartografa se encarga de la representacin de la topogrfa, lmites polticos y geogrficos, estructuras de ingeniera y de urbanizacin, etc.

Para evitar confusiones (p.ej. en las fronteras) se requiere de un sistema de referencia nico del rea (global, continental, regional).

Navegacin: La navegacin clsica utiliza varios marcos de referencia. La navegacin moderna utiliza posicionamiento automtico.

Las coordenadas de los aeropuertos, carreteras, faros etc. deben darse en un sistema de referencia nico.

Ingeniera: El levantamiento clsico de construcciones de ingeniera (tneles, diques, puentes, etc.) se hizo, clsicamente, en sistemas

de referencia locales. Hoy en da se puede utilizar los mtodos modernos (p.ej. GPS).

Esto requiere de un sistema nico para la zona de construccin. Catastro: El catastro define los lmites entre propiedades y la

clasificacin del terreno. Para evitar confusiones en los lmites se requiere de un sistema de

referencia nico para la zona.

Clasificacin de los sistemas de referencia Sistemas de referencia convencionales:

Definicin arbitraria (convencional) de los ejes coordenados, vectores principales o direcciones de referencia.

Sistemas de referencia inercial: Sistema de referencia sin aceleracin (gravedad y rotacin). Sistemas de referencia cuasi-inercial:

Sistema de referencia que considera una aceleracin lineal.

Jerarqua de los sistemas de referencia

Denominacin Vectores principales Ejemplo (aplicacin) Sistema de observacin visual n mediciones de (local) gravedad g direccin y distancia Sistema del horizonte gravedad g redes terrestres (regional) rotacin terrestre W Sistema ecuatorial rotacin terrestre geodesia satelital (global) equinoccio Sistema eclptico equinoccio astronoma ptica (heliocntrico) polo eclptico y Sistema (extra-) galctico (como ecuatorial) radioastronoma

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Ejemplos de sistemas de referencia y dtum Sistemas de referencia

World Geodetic System 1984 (WGS84): Sistema de referencia global que originalmente fue establecido para determinar las coordenadas de las rbitas de los satlites Doppler. Fue adoptado tambin para las rbitas de los satlites NAVSTAR GPS (broadcast ephemerides). IERS Terrestrial Reference System (ITRS): Sistema de referencia del Servicio Internacional de Rotacin Terrestre (IERS) establecido para la determinacin de la rotacin de la Tierra en el sistema de referencia celeste (ICRS) por combinacin de diferentes tcnicas espaciales.

Marcos de referencia

IERS Terrestrial Reference Frame (ITRF): Materializacin del ITRS por un nmero de estaciones en la superficie terrestre (aprximadamente 300) con coordenadas dadas para una poca fija y sus variaciones en el tiempo (velocidades). Sirve para la determinacin de las rbitas precisas de los satlites GPS por el Servicio GPS Internacional (IGS). Sistema de Referencia Geocntrico para las Amricas (SIRGAS): Densificacin del ITRF, inicialmente establecido para Amrica del Sur por 58 estaciones en1995 y extendido al Caribe, Norte y Centroamrica en 2000 (formalmente adoptado en febrero de 2001).

Dtum geodsicos

Preliminary South American Datum 1956 (PSAD56): Establecido por coordenadas astronmicas y desviaciones de la vertical observadas en La Canoa, Venezuela. Desviacin del geocentro: X = -288 m, Y = 175 m, Z = -376 m. South American Datum 1969 (SAD69): Establecido por coordenadas astronmicas y desviaciones de la vertical observadas en Chua, Brasil. Desviaciones X = -57 m, Y = 1 m, Z = -41 m. Observatorio Bogot: Establecido por coordenadas astronmicas y desviaciones de la vertical en el Observatorio Astronmico de Bogot. Desviaciones X = 307 m, Y = 304 m, Z = -318 m.

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IERS: International Earth Rotation Service Governing

Board

Analysis Coordinator Central Bureau Technique Centers

Product Centers:

External Services: Celestial Reference IGS Earth Orientation Terrestrial Reference ILRS Rapid Service, Predicts Geophysical Fluids IVS Conventions

Electon. Interfaces Documents Users

Publicaciones IERS Bulletin A: Dos veces por semana por ASub-Bureau for Rapid ServiceA

- Parametros de la orientacin preliminares, predicciones IERS Bulletin B: Mensualmente por ACentral BureauA

- ERP: soluciones individuales y de combinacin, UTC EOP(IERS)C04: Soluciones combinadas, actualizadas dos veces por semana (incl. los datos de los servicios anteriores, BIH, electronico) Annual Report: Solucin final ERP, ITRF, ICRF y reportes de trabajo Special Bulletin C: Anuncios de los segundos de correccin en UTC Special Bulletin D: Anuncio de los valores DUT1 para la transmisin del tiempo Technical Notes: Publicaciones especiales (p.ej. Standards, ITRF, ...) IERS Gazette: Informaciones generales del IERS (electronicamente)

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Estructura del IERS (desde 01.01.01) Central Bureau: Bundesamt fr Kartographie und Geodsie

(BKG), Frankfurt, GER Director: B. Richter

Analysis Coordinator: M. Rothacher, Mnchen, GER Celestial Reference: Observatoire de Paris, FRA

US Naval Observatory (USNO), Washington, USA Director: J. Souchay, FRA

Earth Orientation: Observatoire de Paris, FRA

Director: D. Gambis Terrestrial Reference: Institut Gographique Nacional

(IGN), Paris, FRA Deutsches Geodtisches Forschungsinstitut (DGFI), Mnchen, GER Director: C. Boucher, FRA

Rapid Service / Prediction: US Naval Observatory

(USNO), Washington, USA Director: James Ray

Geophysical Fluids: NASA GSFC, Greenbelt, USA

Director: B.F. Chao Conventions: D. McCarthy, USNO, USA

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Estructura del Servicio GPS Internacional

IGS: International GPS Service Otros servicios con estructura similar:

International Laser Ranging Service (ILRS)

Central Bureau: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA

International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS)

Central Bureau: NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA

Analysis Coordinator

Data Centers

Operational Centers

Regional Data Centers

Global Data Centers

Analysis Centers

Analysis Centers

Global Net Associate Analysis Centers

Regional Net Associate Analysis Centers

Governing Board

Central Bureau JPL Pasadena, USA